风电场设计基础知识

风电场基础知识
风电场建设项目，其实施是一个较复杂的综合过程。

风电场的规划设计，属风电场建设项目的前期工作，需要综合考虑许多方面，包括风能资源的评估、风电场的选址、风力发电机组机型选择和设计参数、装机容量的确定、风电场风力发电机组微观选址、风电场联网方式选择、机组控制方式、土建及电气设备选择及方案确定、后期扩建可能性、经济效益分析等因素。

其中，对风能资源进行精确的评估，则直接关系到风电场效益，是风电场建设成功与否的关键。

以下对风能资源评估、风电场选址和风资源分析与发电量计算软件介绍如下。

一风能资源的评估
风况是影响风力发电经济性的一个重要因素。

风能资源的评估是建设风电场成败的关键所在。

随着风力发电技术的不断完善，根据国内外大型风电场的开发建设经验，为保证风力发电机组高效率稳定地运行，达到预期目的，风电场场址必须具备有较丰富的风能资源。

1 风能资源评估步骤
对某一地区进行风能资源评估，为风电场建设项目前期所必须进行的重要工作。

风能资源评估分如下几个阶段：
1) 资料收集、整理分析
从地方各级气象台、站及有关部门收集有关气象、地理及地质数据资料，对其进行分析和归类，从中筛选出具代表性的完整的数据资料。

能反映某地风气候的多年（10年以上，最好30 年以上）平均值和极值，如平均风速和极端风速，平均和极端（最低和最高）气温，平均气压，雷暴日数以及地形地貌等。

2) 风能资源普查分区
对收集到的资料进行进一步分析，按标准划分风能区域及其风功率密度等级，初步确定风能可利用区。

3) 风电场宏观选址
风电场宏观选址遵循的原则一般是，应根据风能资源调查与分区的结果，选择最有利的场址，以求增大风力发电机组的出力，提高供电的经济性、稳定性和可靠性；最大限度地减少各种因素对风能利用、风力发电机组使用寿命和安全的影响；全方位考虑场址所在地对电力的需求及交通、电网、土地使用、环境等因素。

根据风能资源普查结果，初步确定几个风能可利用区，分别对其风能资源进行进分析、对地形地貌、地质、交通、电网及其他外部条件进
行评价，并对各风能可利用区进行相关比较，从而选出并确定最合适的风电场场址。

这一般通过利用收集到的该区气象台、站的测风数据和地理地质资料并对其分析、到现场询问当地居民、考察地形地貌特征如长期受风吹而变形的植物、风蚀地貌等手段来进行定性，从而确定风电场场址。

4) 风电场风况观测
一般，气象台、站提供的数据只是反映较大区域内的风气候，而且，数据由于仪器本身精度等问题，不能完全满足风电场精确选址及风力发电机组微观选址的要求。

因此，为正确评价已确定风电场的风能资源情况，取得具有代表性的风速风向资料，了解不同高度处风速风向变化特点，以及地形地貌对风的影响，有必要对现场进行实地测风，为风电场的选址及风力发电机组微观选址提供最准确有效的数据。

现场测风应连续进行，时间至少1年以上，有效数据不得少于90%。

内容包括风速、风向的统计值和温度、气压。

这通过在场区设立单个或多个测风塔进行。

塔的数量依地形和项目的规模而定。

5) 测风塔安装
为进行精确的风力发电机组微观选址，现场所安装测风塔的数量一般不能少于2座。

若条件许可，对于地形相对复杂的地区应增至4~8座。

测风塔应尽量设立在最能代表并反映风电场风能资源的位置。

测风应在空旷地进行，尽量远离高大树木和建筑物。

在选择位置时应充分考虑地形和障碍物影响。

如果测风塔必须位于障碍物附近，则在盛行风向的下风向与障碍物的水平距离不应少于该障碍物高度的10倍处安置；如果测风塔必须设立在树木密集的地方，则至少应高出树木顶端10m。

为确定风速随高度的变化（风剪切效应），得到不同高度风速可靠的风速值，一座测风塔上应安装多层测风仪。

一般测风塔上测风仪数量可根据上述目的及地形确定。

气压和温度，每个风电场场址只需安装一套气压传感器和温度传感器，其塔上安装高度为2~3m(目前多为10m)。

测风设备的安装和管理应严格按气象测量标准进行。

测量内容为风
速、风向、气压、温度。

测风塔可以是固定的，也可以是移动的，测风仪应安装在10m 和大约风力发电机组轮毂高度处；若测风的目的是要对风电场进行长期风况测量及对风电场风力发电机组进行产量测算，则应采用设立多层测风塔长期测量有关数据，测风仪应安装在10m、30m、50m、70m 高度甚至更高。

6) 风电场风力发电机组微观选址
场址选定后，根据地形地质情况、外部因素和现场实测风能资源分析结果，在场区内对风力发电机组进行定位排布。

2 风能资源评估参数
建设风电场，选定合适的场址是至关重要的。

场址选择的正确与否将直接关系到许多方面的因素，近则运输、施工、安装及环境等方面，远则将来的风力发电机组出力及产量至风电场效益。

而这当中，风力发电机组发电量又是决定风电场效益好坏的最直接的决定因素。

而要确定正确的风电场址，首先，进行精确的风能资源评估分析是非常关键的。

只有对风能资源进行详细细致的考察评估并对其进行处理计算，才能了解当地的风势风况。

风能资源分析评估是设计选择建设风电场首要的条件。

以下为在进行风能资源评估及风电场选址时，所要考虑的几个主要指标及因素：
1)平均风速
平均风速是最能反映当地风能资源情况的重要参数。

分月平均风速和年平均风速。

由于风的随机性，计算时一般按年平均来进行计算。

年平均风速是全年瞬时风速的平均值。

年平均风速越高，则该地区风能资源越好，安装风力发电机组的单机容量也可相应提高，风力发电机组出力也好。

一般来说，只有年平均风速大于6m/s（合4级风）的地区才适合建设风电场。

风能资源的统计分析及年平均风速的计算要依据该地区多年的气象站数据和当地测风设备的实际测量数据进行（气象资料数据要统计30年以上的数据，至少10年的每小时或每10min 风速数据表，采
样间隔为1s；现场测风设备的实际测量数据统计方式要与气象站提供数据相一致，统计时间为至少1年）。

2)风功率密度
由风能公式可知，风功率密度只和空气密度和风速有关，对于特定地点，当空气密度视为常量时，风功率密度只由风速决定。

由于风速具有随机性，其每时每刻都在变化，故不能使用某个瞬时风速值来计算风功率密度，只有使用长期风速观测资料才能反映其规律。

风功率密度越高，则该地区风能资源越好，风能利用率也高。

风功率密度的计算可依据该地区多年的气象站数据和当地测风设备的实际测量数据进行；也可利用WAsP软件对风速风向数据进行精确的分析处理后计算。

3)主要风向分布
风向及其变化范围决定风力发电机组在风电场中的确切的排列方式，风力发电机组的排列方式很大程度地决定各台风力发电机组的出力，从而决定风电场的发电效率，因此，主要盛行风向及其变化范围要精确。

同平均风速一样，风向的统计分析也要依据多年的气象站数据和当地测风设备的实际测量数据进行。

利用WAsP软件可对风向及其变化范围进行精确的计算确定。

4)年风能可利用时间
年风能可利用时间是指一年中风力发电机组在有效风速范围（一般取3~25m/s内的运行时间。

一般年风能可利用小时数大于200h的地区为风能可利用区。

二风电场选址
风电场选址分为宏观选址和微观选址两个阶段。

风电场宏观选址过程是从一个较大的地区，对气象条件等多方面进行综合考察后，选择一个风能资源丰富、而且最有利用价值的小区域的过程。

微观选址是在宏观选址中选定的小区域中确定如何布置风力发电机组，使整个风电场具有较好的经济效益。

一般，风电场选址研究需要两年时间，其中现场测风应有至少一年以上的数据。

国内外的经验教训表明，由于风电场选址的失误造成发电量损失和增加维修费用将远远大于对场址进行详细调查的费用。

因此，风电场选址对于风电场的建设是至关重要的。

1 宏观选址条件
1) 场址选在风能质量好的地区
a）年平均风速较高；
b）风功率密度大；
c）风频分布好；
d）可利用小时数高。

2) 风向基本稳定
（即主要有一个或两个盛行主风向）所谓盛行主风向是指出现频率最多的风向。

一般来说，根据气候和地理特征，某一地区基本上只有一个或两个盛行主风向且几乎方向相反，这种风向对风力发电机组排布非常有利，考虑因素较少，排布也相对简单。

但是，也有这种情况，就是虽然风况较好，但没有固定的盛行风向，这对风力发电机组排布尤其是在风力发电机组数量较多时带来不便，这时，就要进行各方面综合考虑来确定最佳排布方案。

3) 风速变化小
风电场选址时尽量不要有较大的风速日变化和季节变化。

4) 风力发电机组高度范围内风垂直切变要小风力发电机组选址时要考虑因地面粗糙度引起的不同风速廓线，当风垂直切变非常大时，对风力发电机组运行十分不利。

5) 湍流强度小
由于风是随机的，加之场地表面粗糙的地面和附近障碍物的影响，由此产生的无规则的湍流会给风力发电机组及其出力带来无法预计的
危害：减小了可利用的风能；使风力发电机组产生振动；叶片受力不均衡，引起部件机械磨损，从而缩短了风力发电机组的寿命，严重时使叶片及部分部件受到不应有的毁坏等等。

因此，在选址时，要尽量使风力发电机组避开粗糙的地表面或高大的建筑障碍物。

若条件允许，风力发电机组的轮毂高度应高出附近障碍物至少8~10m，距障碍物的距离应为5~8倍障碍物高度。

6) 尽量避开灾害性天气频繁出现地区
灾害性天气包括强风暴（如强台风、龙卷风等）、雷电、沙暴、覆冰、盐雾等，对风力发电机组具有破坏性。

频繁出现上述灾害性气候地区应尽量不要安装风力发电机组。

但是，在选址时，有时不可避免地要将风力发电机组安装在这些地区，此时，在进行风力发电机组设计时就应将这些因素考虑进去，要对历年来出现的冰冻、沙暴情况及其出现的频度进行统计分析，并在风力发电机组设计时采取相应措施。

7)尽可能靠近电网
要考虑电网现有容量、结构及其可容纳的最大容量，以及风电场的上网规模与电网是否匹配的问题；风电场应尽可能靠近电网，从而减少电损和电缆
铺设成本。

8)交通方便
要考虑所选定风电场交通运输情况，设备供应运输是否便利，运输路段及桥梁的承载力是否适合风力发电机组运输车辆等。

风电场的交通方便与否，将影响风电场建设。

如设备运输、装备、备件运送等。

9)对环境的不利影响最小
通常，风电场对动物特别是对飞禽及鸟类有伤害，对草原和树林也有些损害。

为了保护生态，在选址时应尽量避开鸟类飞行路线，候鸟及动物停留地带及动物筑巢区，尽量减少占用植被面积。

10) 地形情况
地形因素要考虑风电场址区域的复杂程度。

如多山丘区、密集树林区、开阔平原地、水域或兼有等。

地形单一，则对风的干扰低，风力发电机组无干扰地运行在最佳状态；反之，地形复杂多变，产生扰流现象严重，对风力发电机组出力不利。

验证地形对风电场风力发电机组出力产生影响的程度，通过考虑场区方圆50km（对非常复杂地区）以内地形粗糙度及其变化次数、障碍物如房屋树林等的高度、数字化山形图等数据，还有其他如上所述的风速风向统计数据等，利用WAsP软件的强大功能进行分析处理。

11) 地质情况
风电场选址时要考虑所选定场地的土质情况，如是否适合深度挖掘（塌方、出水等），房屋建设施工、风力发电机组施工等。

要有详细的反映该地区的水文地质资料并依照工程建设标准进行评定。

12) 地理位置
从长远考虑，风电场选址要远离强地震带、火山频繁爆发区，以及具有考古意义及特殊使用价值的地区。

应收集历年有关部门提供的历史记录资料。

结合实际作出评价。

另外，考虑风电场对人类生活等方面的影响如风力发电机组运行会产生噪声及叶片飞出伤人等，风电场应远离人口密集区。

有关规范规定风力发电机组离居民区的最小距离应使居民区的噪声小于45dB(A)，该噪声可被人们所接受。

另外，风力发电机组离居民区和道路的安全距离从噪声影响和安全考虑，单台风力发电机组应远离居住区至少200m。

而对大型风电场来说，这个最小距离应增至500m。

13) 温度、气压、湿度、海拔
温度、气压、湿度、海拔的变化会引起空气密度的变化从而改变了风功率密度，由此改变风力发电机组的发电量。

2 风力发电机组排列方式
风力发电机组排列方式主要与风向及风力发电机组数量、场地实际情况有关。

应根据当地的单一盛行风向或多风向，决定风力发电机组是
矩阵式排布还是圆形或方形分布。

合理地排列风力发电机组是风电场设计时需要考虑的重要问题。

如果排列过密，风力发电机组间的相互影响将会大幅度地降低排列效率，减少年发电量，并且产生的强紊流将造成风力发电机组振动，恶化受力状态；反之，如果排列过疏，不但年发电量增加很少，而且增加了道路、电缆等投资费用及土地利用率。

按标准要求，无论何种方式的排列，应保证风力发电机组间相互干扰最小化。

对平坦地形当盛行主风向为一个方向或两个方向且相互为反方向时，风力发电机组排列方式一般为矩阵式分布。

风力发电机组群排列方向与盛行风向垂直，前后两排错位，即后排风力发电机组始终位于前排2 台风力发电机组之间。

根据国外进行的试验，风力发电机组间距离为其风轮直径的10倍时，风力发电机组效率将减少约20~30％，20倍距离时无任何影响。

但是，在考虑风力发电机组的风能最大捕获率或因考虑场地面积而允许出现较小干扰，并考虑道路、输电线等投资成本的前提下，可适当调整各风力发电机组间间距和排距。

一般来说，风力发电机组的列距约为3~5倍风轮直径；行距约为5~9 倍风轮直径。

当场地为多风向区，即该地存在多个盛行风向时，依场地面积和风力发电机组数量，风力发电机组排布一般采用“田”形或圆形分布，此时风力发电机组间的距离应相对大一些，通常取10~12倍风轮直径或更大。

对复杂地形如山区、山丘等，不能简单地根据上述原则确定风力发电机组位置，而是根据实际地形，测算各点的风力情况后，经综合考虑各方因素如安装、地形地质等，选择合适的地点进行风力发电机组安装。

三风电场选址软件介绍
风资源分析及应用程序WASP(Wind Atlas Analysis and Application Program)：是由丹麦国家实验室(RISØ)风能研究所开发的一种能独立对风资源进行三维分析的软件。

经过多年业内资深技术研发人员的补充、完善，它已经在世界范围之内成为公认的测风数据处理、
风能资源分析、风场微观选址、风机及风场发电量计算、风场风能资源分布分析的行业基本工具软件。

它的主要特点是：
1)当对某地区风资源进行分析时，考虑该地区不同的地形表面粗糙度的影响，以及由附近建筑物或其它障碍物所引起的屏蔽因素，同时还考虑了山丘和复杂地形所引起的风气流的变化情况，从而估算出该地区在没有上述因素影响的真实的风资源情况；
2)根据某一地点测量的风资源情况，通过考虑该地点周边实际的地势、地貌以及地表的实际情况，推算出另一地点的风资源状况；
3)在同时提供风机功率曲线，风场所处地区风能测量数据，能够准确反映风场内部以及周边地势、地貌以及地表实际状况的电子化地图条件下，可以建立风场计算模型，完成风场微观选址，风场及风机的年度发电量估算，风机尾流影响估算，建立风场内部及周边地域风能资源分布图谱。

主要功能如下：
1）风观察数据的统计分析；
2）风功率密度分布图的生成；
3）风气候评估；
4）风力发电机组年发电量计算；
5）风电场年总发电量计算。

WAsP可以充分估算出某一给定点的风能资源情况，对风电场选址及风力发电机组排列有重要指导意义。

但是，该软件是以特定的数学模型为基础的，因此，在复杂地形的风电场进行选址时，应尽可能地多安装测风仪，以实际测量的风数据作为风力发电机组微观选址时的主要依据。

尽管如此，该软件仍是进行风能资源评估及风电场选址的有利工具，被各国尤其是欧洲国家普遍采用。

风力发电机组排列方式主要与风向及风力发电机组数量、场地实际情况有关，应根据当地实际情况进行确定。

当验证风力发电机组排布是否合理，哪一种排布方式最理想时，可利用丹麦国家实验室开发的继风能资
源分析处理软件WAsP之后的PARK软件（风电场风力发电机组尾流计算及最佳排列计算软件）或WindPRO（风电场设计和优化软件）进行。

场址及风力发电机组一旦确定，则利用WAsP软件的结果数据及其他有关参数作为WindPRO 的输人数据进行进一步分析计算，确定出风力发电机组的排布方式，计算该排布方式下及各种不同排布方式下各风速及各风向上每台风力发电机组的发电量及风电场总的发电量，在各种方案比较后选出风力发电机组最佳排列方案。

四风电场设计
一）总体设计
1、风电场地形图测绘需建设的风电场范围应进行1：1000地形图的测绘。

2、微观选址根据已确定的风力发电机组的机型，以及风力发电机组厂家在投标书中提供的功率曲线利用欧洲普遍采用的wasp软件对该风电场进行微观选址。

微观选址后提供给业主的是每台风力发电机组的地理位置（X轴和Y轴的数值），高程以及每台机组的发电量。

3、确定风电场变电所的位置微观选址后需确定风力发电机组的送出工程即风电场变电所的所址。

所址的选择根据可研报告中确定的变电所的电压等级以及初选的所址，到现场落实所址。

4、钻探初步确定的风力发电机组的机位、变电所的位置进行地质钻探，提供给业主和设计单位各层的应力等力学指标。

二）、基础设计
1、风力发电机组基础主要是由机组的生产厂家负责，原因是设计单位不清楚风力发电机组的受力情况，设计单位仅是根据风力发电机组的一般基础结构，进行工程量的估算，在施工期间进行修正。

2、箱式变电站基础箱式变电站由于重量较轻，体积也不大，可采用天然地基上的浅基础进行设计。

一般采用钢筋混凝土条
形基础，基础顶预埋槽钢以支承箱式变电站。

三）、变压器选择
箱式变压器的选择根据接人变压器的风力发电机组的容量之和，并考虑风力发电机组的超负荷的余量，同时，也需考虑风力发电机组的抗短路电流的能力（向厂家索取），也即为了降低机端的短路电流，选择的箱式变压器的短路阻抗值不要过小。

箱式变压器的型号可选择干式也可选择油浸，视风电场的具体情况，如风电场场地周围的树木较多，则选择干式变压器较好，反之，可选用油浸变压器或选用干式变压器。

四）、变电站设计
根据风电场装机容量确定的风电场变电所的电压等级，在设计风电场变电所时，如果是电压等级在35~110kV的变电所可按照国标GB50059-1992《35kV~110kV变电所设计规范》；如是需设计成无人值班的可按照电力行业标准,《35kV~110kV无人值班变电所设计规程》。

若电压等级是10KV 则可按照国标GB50053-1994《10kV及以下变电所设计规范》。

在所用变的容量选择方面，需考虑补偿风电场电力电缆产生的电容电流的容量。

五）、架空线路设计
根据风电场接人系统的方案审批后的意见，需建设风电场变电站的电压等级，和架设线路的电压等级、回路数和长度。

如果风电场场址处树木较多，架空导线可采用绝缘导线，可减少征地面积，少砍树。

否则可选用普通的导线，可按照行标DL/T601-1996《架空绝缘配电线路设计技术规程》。

架空电力线路设计可按照国标GB50067-1997《66kV及以下架空电力线路设计规范》，或电力行业标准DL/T5092-1999《110kV~500kV架空送电线路设计技术规程》。

六）、中央控制室及其他建筑物设计
由于风电场专用的变电所和风电场一般是同一业主（出资者），为了统一管理和减少运行人员和节约建筑面积，风电场的中央控制室和变电所的中央控制室可合而为一。

在一个控制室内。

中央控制室及其他建筑物按设计该电压等级的变电所规程中的中央控制室和生产用房的规定进行设计。

由于风电场场址处一般是比较偏僻的地区，在建设生产用房同时，有时候也需建设值班人员的寝室（如旅馆中的标准房）、会议室和办公室。

七）、道路规划和绿化设计
风电场道路规划分风电场对外的道路规划和风电场内部的道路规划。

对外的道路规划可与当地地区道路规划结合进行，尽量利用原有的道路。

对内道路是每台风力发电机组机位之间的通道和风力发电机组至风电场专用的变电所的道路。

道路设计可按四级公路设计，如风电场作为当地旅游景点之一，可提高公路的设计标准。

绿化设计的目的是恢复和加强风电场未建设前的环境保护，绿化设计的地区一般在变电所内外地区，以及在新、旧公路两侧种植当地能生长的植物。