风电场规划开发容量优化方法研究

风电场规划开发容量优化方法研究

以宁夏某风电场为例，深入研究了风电场规划阶段合理确定装机容量的方法。通过比较不同布置方案的经济性及合理性，采用了尾流作为技术指标和度电投资作为经济指标，综合考虑后最终确定了风电场规划开发容量。

标签：风电场；尾流；度电投资；容量

1 问题的提出

确定风电场装机容量是风电场规划阶段的核心内容，如何确定合理的开发容量至关重要。

通常风电场在规划阶段综合考虑规划风电场的风能资源、工程地质、交通运输及施工安装条件，在地形图上分析具备开发价值的区域，确定风电场场址范围。场址平坦、地形简单的规划风电场，规划容量按5MW/km2初步估算；对地形复杂风电场，选择合适单机容量的机组，在拟定的场址范围内初步布置风机，估算风电场规划装机容量。

目前由于经济发展，风电场受到的制约因素越来越多，常规方法难以准确合理地确定装机容量，因此前期规划阶段必须深入分析，确定风电场合理开发容量。

2 数学模型的构建

2.1 尾流模型

基于全局动量守恒理论的Jensen尾流模型因其计算量小、精度可接受而得到了广泛的应用。该模型假设风力机下游的尾流线性膨胀，并指出尾流区的速度分布仅是下游位置x的函数，沿着下游某横截面的径向速度分布为常数，被称为一维模型。然而真实流场的径向速度呈抛物型分布，因此采用修正的Jensen尾流模型来计算风力机的尾流效应，以便较真实地计算风电场的总发电量和效率。其原理如图1所示：

风机尾流效应的模拟是整个风电场发电量效益预测的基础，而且风机布置过程中必须对尾流影响进行控制，对受尾流较大的风机机位进行调整。

2.2 风机成本-效益模型

前期规划阶段难以准确计算风电场投资，因此采用概化的方式估算总投资。假设风电场的总投资仅是风电场内风机个数的函数。假设单个风机的建设成本量为f1，当风电场场内布置大量风机时，单个风机的建设成本最多可降至2/3。风电场的总投资可用如下的函数来表达：

fcost为风电场总投资，Nt为风机数目。

风电场优化装机容量的最终目标是通过经济分析比较，使得风电场单位度电投资最小，即单位投资的效益最大，评价目标函数为：

D=Min（fcost/Ptotal）

Ptotal为风电场总发电量，D为单位度电投资。

根据度电投资比较结果最终确定给定区域风电场的风机最优布置容量。

3断实例分析

3.1 工程概况

某风电场位于宁夏盐池，规划场址范围在北纬37°35′06.52”～37°39′36.51”，东经107°01′37.34”～107°14′10.28”，风电场总面积约132km2。场址区域海拔高度在1490m～1640m之间，为黄土高原北部的黄土梁、黄土丘地貌，梁顶场地较为开阔，地势起伏不大。场区内有多条通乡及石油钻井道路相连，场区通过石油钻井的道路与西侧国道相通，对外交通较为便利。

风电场内设有两座测风塔，根据地形变化可将本风电场划分为东西两个片区，西部片区主要为1#测风塔附近东西向低缓丘陵，东部片区主要为2#测风塔附近的梁顶开阔场地。

3.2 风能资源

1#测风塔80m高度平均风速分别为6.8m/s，风功率密度为299.3W/m2，主导风向为W；2#测风塔80m高度平均风速分别为 6.7m/s，风功率密度为281.6W/m2，全年盛行风向为W；风电场风功率等级为2级。

1#测风塔80m高度平均风速在3m/s～11m/s区间出现频率为85.3%，风能频率在6m/s～15m/s区间出现频率为86.1%，全年有效风速3m/s～25m/s时数为7877h；2#测风塔80m高度平均风速在3m/s～11m/s区间出现频率为83.4%，风能频率在6m/s～15m/s区间出现频率为88.5%，全年有效风速3m/s～25m/s时数为7815h。

3.3 布置方案对比

以叶轮直径110m、轮毂高度85m、单机容量2MW的风电机组进行布置，不含尾流折减系数取值72.9%，进行发电量估算。

根据风电场风能资源和地形图，为了是整个场区各机位尾流保持在合理范围内，并保证较高的可开发容量，分别按照5D：8D、5D：9D、6D：8D、6D：9D、

5D：8D（在东部片区减少排数），5D：8D与6D：8D混排（西部片区采用5D：8D布置，东部片区采用6D：8D布置）共六种方案进行了不同风电机组布置方案比较（见表1）。

从布置方案对比结果来看，方案五相比于其他方案在控制尾流得同时，可以保证较高的容量。

3.4 经济比较

根据不同布置方案的风电机组价格、塔架、底座、箱变、电缆、道路估算投资，结合上网电量，对风电机组进行综合指标比较，以确定经济上最优的规划容量（见表2）。

根据经济比较结果，方案一最优，方案五次之，可见容量对于经济指标的影响尤为重要，但考虑到尾流影响，方案一尾流最大值达11.6%，尾流影响较大，综合考虑尾流影响及经济性，风电场合理开发容量为18.8万kW。

4 结束语

（1）通过多方案的对比，采用风机成本-效益模型进行经济对比，合理确定风电场规划容量是可行的。

（2）规划阶段选择布置的风电机组机型应是技术成熟的主流机型，具备普遍代表性。

（3）风机布置以风能资源为基础，兼顾地方规划、地质条件和建筑物避让等，确保布置方案的可行性。

（4）风电场规划容量的确定还应与当地规划与电网消纳能力相结合。

参考文献

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