大中型风电场设计.doc

大中型风电场设计6.1 前 言近年来，我国并网运行的大中型风电场建设逐渐纳入有计划、规范化发展的轨道，风力发电场设计的规程规范也在完善中。6.2 风力资源评估所需的基本资料风是风力发电的源动力，风况资料是风力发电场设计的第一要素。设计规程对风况资料要求也很高，规定一般应收集有关气象站风速风向30年系列资料，风电场场址实测的风速风向资料应至少连续一年。但因建设起步较晚，测风仪也大多依靠进口，故风电场的测风历时一般较短，测风点也较稀。为了满足规范要求，风力资源普查时，首先以风能资源区划为依据，配以110000150000地形图，拟定若干个风电场，收集有关气象台、站或港口、哨所30年以上实测的多年平均风速、风向和常规气象实测资料为依据，一般要求年平均风速在6m/s以上，经实地踏勘，综合地形、地质、交通、电网等其它因素，提出近期工程位置。在候选风电场有代表性的位置上，安装若干台测风仪，其数量应根据风电场大小和地形复杂程度来定。一般对较复杂的地形，每35台风力机应布置1根测风杆，同一测风杆在不同高度可安装13台测风仪；对平坦的地形，可布置得稀一些。测风仪安装高度一般为10m、30m或40m，前者为气象站测风仪的标准高度，后者为风力机轮毂的大致高度，以查明风电场风况的时空分布情况，实测1年以上，就具备了进行可行性研究所需的风况资料。风速资料与其它气象资料一样，其大小有随机性，为避免风能计算时出现大的偏差，风电场实测资料应与附近气象台站同期实测资料进行相关分析以修正并延长风电场的测风资料，使短期资料具有代表性。值得注意的是，由于风的方向性，在进行风速相关分析时，应分不同方向进行风速相关。相关方程一般可以下式表示：(1)或： (2)6.3 风力发电场址的选择风力发电场场址的选择必须从以下几方面综合考虑。6.3.1 年平均风速较大从经济角度考虑，即使在经济较发达，常规能源缺乏的东部沿海地区，建议拟建风电场的年平均风速应大于6m/s(滨海地区)和5.8m/s(山区)，在这样的风况条件下，如选用单机容量500600kW级风力发电机，其等效年利用小时数约为20002600h，上网电价为0.801.00元/kWh，具有良好的经济效益和社会效益。各地实测风速资料表明，在同一地区，高山山脊的风速明显大于平原和低丘地区，以临海市括苍山为例，临海市气象站，海拔高度约为30m，年平均风速仅2.3m/s；其西侧30km的括苍山气象站，主峰海拔为1382m，由于山坡的加速效应，年平均风速高达6.3m/s。外海的风速又大大高于内陆和滨海地区，以浙江省玉环县为例，该县为半岛，位于本岛的坎门气象站年平均风速为5.4m/s，其东部3km的鸡山岛年平均风速为6.3m/s，再往东15km的披山岛，年平均风速高达8.7m/s。6.3.2 风电场场地开阔，地质条件好，四面临风 风电场场地开阔，不仅便于大规模开发，还便于运输、安装和管理，减少配套工程投资，形成规模效益。地基基础最好为岩石、密实的壤土或粘土，地下水位低，地震烈度小。风电场四面临风，无陡壁，山坡坡度最好小于30，紊流度小。6.3.3 交通运输方便单机容量500600kW级风力机，最重运输件为主机机仓，重约21t，主机装入13m长的集装箱后，须打开顶盖；最长件为风力机叶片，长约1921m，运叶片的13m集装箱也要打开后盖板。故运输风力机的公路应达到三、四级标准。海岛上安装风力机则要有装卸风力机的码头或适合于登陆艇登陆的港湾，岛上还应有建设四级公路的良好条件。6.3.4 并网条件良好首先，要求风电场离电网近，一般应小于20km。因为离电网近，不但可降低并网投资，减少线损，而且易满足压降要求。其次，由于风力发电出力有较大的随机性，电网应有足够的容量，以免因风电场并网出力随机变化或停机解列对电网产生破坏作用。一般来说，风电场总容量不应大于电网总容量的5%，否则应采取特殊措施，满足电网稳定要求。6.3.5 不利气象和环境条件影响小风电场尽可能选在不利气象和环境条件影响小的地方。如因自然条件限制，不得不选在气象和环境条件不利的地点建风电场时，要十分重视不利气象和环境条件对风电场正常运行可能产生的危害。在海岛上建风电场，要特别重视台风侵袭，要求风力机叶片、塔架、基础均有足够的强度和抗倾覆能力；盐雾的强腐蚀性，要求风力机和塔架等金属结构有可靠的防腐措施。在高山上建风电场，要特别重视高山严寒地区冰冻、雷暴、高湿度等不利气象条件对风电场正常运行可能产生的影响。风力机常规测风仪中的风杯如被结成冰球，导致测风数据不准，将影响风力机正常发电；如风标被冻结则将影响风力机主动偏航；叶片表面结冰，也会影响风力机发电量；架空线因“雾凇”结冰，电线负重增加，可能导致电线断裂，影响电力送出，应加密杆距；高湿度对电器设备的绝缘不利，应提出严格的要求，多雷地区要加强防雷接地措施等等。在空气污染严重的地区，叶片表面结尘，影响风力机出力；沙暴地区，风沙磨损作用，使叶片表面出现凹凸不平的坑洞，也会影响风力机出力。这些不利的气象和环境条件，在风电场场址选择时应给予重视。6.3.6 土地征用和环境保护建设风电场的地区一般气候条件较差，以荒山荒地为主，有些地方种植防风林、灌木或旱地作物等，风电场单位千瓦土地征用面积仅23m2/kW，与中小型火电站相当，一般来说土地征用较方便，但如果拟建风电场有军事基地或国家的重要设施，则应尽量避开。风力发电是无污染的可再生新能源，国家支持大力开发，但有些环保问题还应考虑；如风力机的噪音可能会对附近300m范围内的居民产生影响，选址时应尽量避开居民区；如要新修山地公路，设计中应注意挖填平衡，防止水土流失；风力机旋转可能会对侯鸟产生影响，选址时应尽量避开侯鸟迁移路线和栖息地等。6.4 风力发电机组选型和布置6.4.1 单机容量选择风电场工程经验表明，对于平坦地形，在技术上可行，价格上合理的条件下，单机容量越大，越有利于充分利用土地，越经济。表1例举了某风电场单机容量经济比较成果。表6.4.1 某风电场单机容量经济性比较序号项 目方案1方案21单机容量(kW)3006002风力机台数(台)1893装机容量(kW)540054004设计年供电量(万kW.h)130213305工程静态投资(万元)712560285.1机电设备及安装工程(万元)625552405.2建筑工程(万元)2972565.3临时工程(万元)43345.4其它费用(万元)3903715.5基本预备费(万元)1401186单位电度静态投资(元/kWh)5.474.53表6.4.1可见，在相同装机容量条件下，单机容量越大，机组安装的轮毂高度越高，发电量越大，而分项投资和总投资均降低，效益越好。并网运行的风电场，应选用适合本风电场风况、运输、吊装等条件，商业运行1年以上，技术上成熟，单机容量和生产批量较大，质优价廉的风力发电机。由于风力发电机市场前景被一些发达国家一致看好，风力机技术伴随高科技进步发展很快，以风力机生产大国丹麦的内外销情况为例，80年代初期主要生产单机容量为50kW左右的风力机。80年代中期主要生产单机容量为100kW左右的风力机，80年代末、90年代初主要生产单机容量为150kW450kW风力机，从1995年起已大批量生产单容量为500600kW风力机，今年我国订购的风力机就是以此为主。近几年来，世界各个风力机的主要生产厂还相继开发了单机容量为7501500kW的风力机，并陆继投入了试运行，可以乐观地预言，至本世纪末，兆瓦级风力机将投入批量生产，并陆续成为主导机型。因此规划设计中还应有前瞻性。6.4.2 机型选择在单机容量为300600kW的风力机中，具有代表性的机型为水平轴、上风向、三叶片、计算机自动控制，达到无人值班水平。功率调节方式分定桨距失速调节和变桨距调节两类，其优缺点历来就有争议，其特点见表6.4.2。表6.4.2 各种功率调节方式比较机 型定 桨 距变桨距无气动刹车有气动刹车功率调节失速调节失速调节变桨距刹车方式第一节第二节安全保障盘式刹车低速轴高速轴失效安全气动刹车可转动叶尖高速轴失效安全气动刹车全顺桨高速轴失效安全优 点结构最简单运行可靠性高维护简单结构受力最小主机及塔架重量轻运输及吊装难度小高风速时风力机满出力缺 点刹车时结构受力大机械刹车盘庞大机仓、塔架重运输及吊装难度大基础大、成本高变桨距液压系统结构复杂，故障率稍高，要求运行、管理人员素质高在定桨距风力机中，有的机型采用可变极异步发电机(4/6极)，其额定转速可根据风速大小自动切换。因其切入风速小，低风速时效率也较高，故对平均风速较小，风频曲线靠左的风电场有较好的适用性。变桨距风力机能主动以全顺桨方式来减少转轮所承受的风压力，具有结构轻巧和良好的高风速性能等优点，是兆瓦级风力发电机发展的方向。6.5 风力发电机布置和风能计算6.5.1 风力发电机布置风力发电机布置要综合考虑地形、地质、运输、安装和联网等条件。(1) 首选，应根据风电场风向玫瑰图和风能密度玫瑰图显示的盛行风向，年平均风速等条件，确定主导风向。风力机排列应与主导风向垂直。对平坦、开阔的场地，风力机可布置成单列型、双列型和多列型。多列布置时应呈“梅花型”，以尽量减少风力机之间尾流的影响。(2) 多种布置方案计算表明；当风电场平均风速为6.07.0m/s时，单列型风力机的列距约为3D(D为风轮直径)；双列型布置的行距约为6D，列距约为4.5D；多列型布置的行列距约为7D。风电场平均风速越大，布置风力机的间距越小。(3) 在复杂地形条件下，风力机定位要特别慎重，设计难度也大，一般应选择在四面临风的山脊上，也可布置在迎风坡上，同时必须注意复杂地形条件下可能存在的紊流情况。(4) 自然界的风力，经风力发电机转轮后，将部分动能转化为机械能，尾流区风速减小约1/3，尾流流态也受扰动，尤以叶尖部位扰动最大，故前后排风力发电机之间应有5D以上的间隔，由周围自由空气来补充被前排风力机所吸收的动能并恢复均匀的流场。也就是说，前排风力机是后排的障碍物应用WAsP软件或其它方法可计算风力机间尾流的相互影响，优化布置方案。(5) 风力机最优布置方案，需经多方案经济比较确定。6.5.2 风能计算目前，风能计算方法以风频曲线法计算精度较高，应用广泛。该方法将实测或其他方法得到的每天24h，共15年的风速资料按其风速大小，进行分段统计，可求出风频曲线。国内外学者研究表明，风速分布一般符合瑞利(Rayleigh)分布或威布尔(Weibull)分布规律，尤以双参数的威布尔分布应用最广，其表达式为：(3)k � 为形状参数，k0c � 为尺度参数，c0如用最小二乘法将风频曲线拟合成双参数的威布尔曲线，求出参数k、c值，可很方便地表达风速分布规律，并据此进行分析计算。在初选风力机机型后，依据其功率曲线和轮毂高度的风频曲线，可求出该台机的年发电量。由于风速是地理位置的三维函数，虽然为简化计算，以风力机轮毂中心的风速来代表整个扫风面积上风速，但是要将测风点的风况精确地转换成每台风力机轮毂中心的风况仍是十分困难的，尤其是在复杂的地形条件下，目前设计中普遍采用由丹麦国家实验室(RIS)开发的风资源分析及应用程序(Wind Atlas Analysis and Application Program)，简称WAsP。其基本步骤为：(1) 分12个扇区把具有时间连续性测量的气象数据转换成风速直方图。(2) 输入风电场地形图，输入测风点的位置、高度、周围地表粗糙度和附近障碍物。(3) 将各扇区的每级风速从附近障碍物、粗糙度不均匀和地形影响中“还原”，求出这个扇区地表固有的风况数据。(4) 根据测风仪所在地的风况，按上述步骤逆向运算，求出指定风力机位置轮毂中心的风频曲线，结合预选风力机的功率曲线，可求出该台机的年发电量。(5) 把全场预定风力机的位置、统一的轮毂高度和功率曲线都一起输入程序，用PARK模块进行逐台风力机和全场发电量估算。计算时将每一台风力机作为其它风力机的障碍物，求出每台机各个扇区的年发电量和影响系数，从中可分析各个方向相邻的风力机对本机的影响程度，据此调整风力机布置方案，经反复叠代，得到较理想的布置方案。必须指出，任何软件都是以特定的数学模型为基础的。实践证明在复杂地形条件下，由于许多边界条件限制，WAsP程序计算的成果只能作参考。为了慎重，风电场建设前，须尽可能多地在预选风力机位置安装测风仪，以实测风况数据作为微观选址的主要依据。6.6 风力发电机基础6.6.1 基础荷载在陆地上建造风电场，风力机的基础一般为现浇钢筋混凝土独立基础，其型式主要取决于风电场工程地质条件、风力机机型和安装高度、设计安全风速等，表6.6.1列出了几种风力机的基础荷载。表6.6.1 各风力机的基础荷载制造厂单机容量(kW)转轮直径(m)正压力(kN)剪 力(kN)弯 矩(kN.m)扭 矩(kN.m)气动刹车方 式Bonu30031-333152075449可转动叶尖Nordtank300312852207300150可转动叶尖Bonus450374663118722可转动叶尖Nordtank500374502989400280可转动叶尖Vestas5003951037710424364全顺桨Notdtank5004160037013000570可转动叶尖Vestas6004262545217921390全顺桨6.6.2 地质勘探基础设计前，必须作整个风电场工程地质和水文地质条件详细踏勘，对风力机基础进行重点的地质勘探工作：(1) 在岩石地基上，应查明基础覆盖层厚度，地层岩性，地质构造，岩石单轴抗压强度及其允许承载能力。(2) 在砂壤土或粘土地基上，应查明土层厚度、土壤的级配、干容重、砂壤土的内摩擦角、粘土的粘结力、地下水埋藏深度，允许承载能力等等。(3) 在海相沉积的海涂、湖泊、沙滩等地下水位高、结构松散的软土地基上建设风电场，由于软土具有强度低，压缩性大等不利的工程特性，故对这种地基土质进行详细的地质勘探工作尤为重要。一般应查明土层埋深、含水量、容重、空隙比、液限、塑限、塑性指数、渗透系数、压缩系数、粘结力、摩擦角等等。应选择适宜的基础形式，作细致的地基计算，并在建筑物施工时采取相应的工程措施。6.6.3 结构形式根据基础不同的地质条件，从结构形式上常可分为实体重力式基础和框架式基础。(1) 实体重力式基础主要适用于地质条件良好的岩石、结构密实的砂壤土和粘土地基上，因其基础浅、结构简单、施工方便、质量易控制、造价低，应用最广泛。从平面上看，实体重力式基础可进一步分为四边形、六边形和圆锥形，后面两种抗震性能好，但施工难度稍大于前者，主要适用于有抗震要求的地区。(2) 框架式基础由桩台和桩基群组成，主要适用于工程地质条件差、软土覆盖层很深的地基上。框架式基础按桩基在土中传力作用分为端承桩和摩擦桩。端承桩主要靠桩尖处 硬土层支承，桩侧摩擦阻力很小可以忽略不计；相反，摩擦桩的桩端未达硬土层，桩的荷载主要靠桩身与土的摩擦力来支承。实际的桩基是既有摩擦力又有桩端支承力共同作用的半支承桩。框架式基础比实体重力式基础施工难度大、造价高、工期长，在同等风况条件下，应优先选择地质条件良好的风电场。6.7 风力发电场的经济效益和社会效益评价6.7.1 工程投资和经济效益大中型风电场工程投资中，风力机设备约占总投资的70%。随着风力机制造技术的不断进步。单机容量不断增大，度电成本逐年下降。近几年来，风力机市场被国际大公司、大财团一致看好，竞争十分激烈，风力机价格以每年约3%5%的速度降价。华东勘测设计院设计的几个风电场，在不考虑风力机进口关税前，单位电度静态投资约4.0元/kWh，单位kW静态投资约1000011000元/kW，度电成本约0.42元/kWh，还贷期上网电价约0.80元/kWh，可以与水电、