民勤红沙岗百万千瓦级风电基地风机排布优化研究

第49卷第9期2013年9月甘肃水利水电技术GANSUWATERRESOURCESANDITYDROPOWERECHN0LOGYVO149，NO9SEP，2013设计与研究民勤红沙岗百万千瓦级风电基地风机排布优化研究赵斌陈红宝甘肃省水利水电勘测设计研究院，甘肃兰州730000摘要文章基于经验性风机排布思路和单一风向风况下的风机排布的一般性规律，设计了风机排布比选组合，利用CFD风资源评估软件WINDSIM51，计算了各排布方案的净发电量和尾流损失。结果表明在特定风电场微观选址中由于风电场范围、边界条件和招标风机等不同，风机排布须经综合优化计算确定；红沙岗风机布置采用规则行列式排布方式，比选结果以5DX10D方案相对较优，在子风电场之问预留风力恢复区，间距大于20D，各次子风电场风机排数以23排为宜，这种排列方式发电量最大，尾流损失最小。关键词风电场；风机优化排布；尾流损失；发电量中图分类号TK81文献标志码A文章编号209501442013090028031前言风电场风机优化布置是风电场前期选址工作中的关键环节，其布置方案的优劣直接决定风电场的发电量，从而影响到风电场的经济性水平。由于风机的尾流效应气流经过每台风机之后速度都会降低。如果风机排列过密，风机之间的相互影响将会大幅度的降低排列效率，减小发电量，并且增大由于风机尾流引起的湍流强度产生的强紊流将造成发电机组和叶轮面的振动，恶化机组载荷状态，带来不安全因素；反之，如果排列过疏，发电量增加效果不明显，同时增加了道路、电缆等投资费用以及降低土地利用率。通常在实际风电场开发建设中，由于各种限制因素的制约风电场区域边界已确定，因此，在确定的风电场边界和风能资源情况下，应保证风机问相互影响最小化。风机的最优化布置研究在早期基本属于经验性优化，多数情况为规则的行列式排布。宫靖远等提出，对平坦地形，当盛行风向为一个方向或者两个方向互相为反方向时，风机在盛行风向上间距为5D9DD为叶轮直径，下同，在垂直盛行风向间距为3D5D_1PATEL也指出风机布置的最优距离为在盛行风向上风机间隔8D12D，在垂直于盛行风向上风机间隔15D3D3这些排列方式在实际风电场的开发过程得到了广泛的应用。由于经验性结论的排列方式有其局限性。对于不同风电场和不同类型的风机最优间隔是不相同的，因此许多学者开展了针对不同区域、不同风况下的风机最优化布置的精确计算研究，可主要归纳为两类其一是将遗传算法应用于风机布置计算并结合理论分析，对风机优化布置形式进行了计算分析和校核，得到了更好的结果4；其二是采用较完善的风机优化布置计算数学模型，例如王丰51研究了单一风向风况下的风电场风机最优布置的一般性规律给出了风机布置排数和风机间距的合理取值范围。红沙岗风电基地西邻陈家井风电场和咸水井风电场，以北为独青山以南为民勤县与金川区县界207。以东为212为界，风电场范围已确定。场址区地势平坦开阔，地表植被为低矮灌丛，主导风向为WNW其次是ESE，该区域风向单一且集中。本文拟提出风机排布方案组合利用CFD风资源评估软件WINDSIM51计算各组合发电量及尾流损失，提出该风电基地风机最优布置方案。2资料与方法21测风数据用于风电场流场模拟的基础数据为风电场内的6座测风塔同期观测数据，并且测风数据做前期完整性检验和合理性检验。满足GBT187102002风电场风能资源评估方法的相关规范要求。22风资源评估软件WINDSIM51简介WINDSIM软件是挪威WINDSIM公司设计，基于计算流体力学CFD方法进行风资源评估及风电场微观选址的软件。利用计算流体力学进行风资源评估和微观选址，实际上是求解风场边界条件下的流收稿日期20130819作者简介赵斌1981一，男，甘肃岷县人，工程师，学士，主要从事水利水电工程设计、新能源发电工程设计。28第9期赵斌，等民勤红沙岗百万千瓦级风电基地风机排布优化研究第49卷体力学微分方程，获得微观风场内的基本流动细节，根据空气流动的能量分布，布置风机处于高风能区的一门技术。预先根据计算流体力学进行微观选址，避免风电机组处于风能的低值区而造成不必要的经济损失是很有必要的。WINDSIM软件采用计算流体力学方法来模拟场址内的风资源情形，可以很好的计算出相对复杂地形下的风场分布情况，因此，WINDSIM软件可以用于复杂地形条件下的风电场选址及风资源评估。WINDSIM软件包括6个模块地形处理模块、风场计算模块、风机位置模块、流场显示模块、风资源计算模块、年发电量计算模块。WINDSIM软件主要是通过有限体积方法数值求解NAVIERSTOKES方程，其湍流模型采用湍流动能耗散率闭合方案。3排布方案设计红沙岗风电基地风机布置方式采用行列式排布，以在盛行风向上，上游风机尾流对下游其他风机出力无影响或影响很小的原则来确定风机的纵向、横向间距。针对风机对下游风机在纵向和横向影响的不同范围和程度。确定风机排布比选方案中纵向间距和横向间距的取值范围。31纵向间距取值范围风电场纵向间距是经过风机的尾流风速的恢复区问，在理想情况下。对于无边界限制的风电场，最优的纵向间距是尾流风速恢复到90以上的距离，在单一风向的风电场内这个距离约在15D左右_5，根据国外进行的试验，风力发电机组间距在10D时，机组效率下降2030，20倍距离无任何影响。红沙岗风电基地场地范围已确定，垂直于主风向每排风机的数量和上游风机的尾流作用都能影响到主风向上纵向间距的最大取值，并且这两个因素的影响作用是相反的。拟设以等纵向间距布置34排风机，第1排风机出力为风电场自由风速下的最大出力，在下不考虑横向风机之间的尾流影响和风机轴向推力系数的变化时。第2排和第3排风机的出力接近以等比数列递减。后排风机受前排风机影响更大，因此，后排风机的纵向间距应适当增大。综上分析，比选的排布方案组合中纵向间距的取值范围为8D13D，并且以24排风机作为1组，称为次子风电场，每组之间预留较大的风速恢复间距，并且将排数较多的组布置在每个子风电场边缘，最大程度保证进入每组风机的风速接近该风电基地的自由厉L速。32横向间距取值范围风电场最小的横向间距是上游的风机对下游其他风机出力无影响或者影响最小的距离，风机尾流影响半径范围随着下游距离的增加而增加，因此，随着风机布置排数的增多，风机的最小横向间距也应该适当增大，从而使得横向相邻风机的尾流影响范围重叠区域更远，减小尾流影响作用。然而对于确定了范围的风电场，为保证相对合理的纵向间距，每排风机数量不宜过少，即横向间距不宜多大。因此比选的排布方案组合中横向间距的取值范围为4D一5D。33沿主风向递增排布红沙岗风电基地主导风向为WNW，其次是ESE，风向单一且稳定，在主风能扇区WNW风功率密度高于次风能方向ESE，因此，风机排布纵向间距按沿WNWESE方向递增方式。4比选结果与分析根据红沙岗风电基地风机排布方案组合利用WINDSIM51软件进行净年发电量和尾流损失计算。见表1。可以看出，风机排列在确定横向间距情况下，随着纵向间距的增大，即东西方向距离增大。尾流损失有一定程度的减小，发电量相应增大。风电场区域范围确定，随着纵向间距的增大，相应就减少了各子风场间隔离带及其内部次子风场之间隔离带的距离，反而引起整个风电场尾流损失的增大。因此。对于每一个确定的横向间距，存在最优的纵向间距，分别论述如下1在横向间距为5D时，风机纵向间距为10D时，隔离带为2100M，次隔离带为1490IN，尾流最小、发电量最大，当纵向间距增加到1LD时。子风电场之间隔离带为2100，次隔离带为1250M，尾流开始增加。2在横向间距为45D时，风机纵向间距增加到L1D时，隔离带为2800M，次隔离带为2705M，尾流影响减小趋于缓慢，当纵向间距为12D时。尾流增大，发电量开始减少。3在横向间距为4D时，当增加纵向间距到11D一12D时，隔离带为3000M，次隔离带为22632605