大连近海风电场风机机组的选型与布置初探

1、4收稿日期：2011-02-21。作者简介：林艺（1986-），女，福建龙岩人，硕士研究生，从事近海能源与工程研究。E-mail:bzhlinyi110大连近海风电场风机机组的选型与布置初探林艺，康海贵（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连116023）摘要：风机的选型与布置是风电场建设可行性研究的重要内容，对风电场的建设造价和投产后的发电效益有重要的影响。文章在大连近海风资源评估的基础上，综合考虑国内外风力发电机组的制造水平、技术成熟程度，选择4种机型，布置在两个参考场址，预测其理论发电量，通过技术经济比较，选出最佳机型。一号场址的水文地质条件比较利于风机布置，可安装34台单机

2、容量为3MW 的风力发电机组，布置方式为2排17列，年上网发电量约为26262万kWh 。关键词：大连近海风电场；机组选型；布置；容量系数中图分类号：TK89文献标志码：A文章编号：1671-5292（2011）04-0004-05Explore on the selection of wind turbine generatorin offshore wind farm of DalianLIN Yi ，KANG Hai-gui（Dalian University of Technology, State Key Lab.of Coastal and Offshore Engineering

3、 ，Dalian 116023, China ）Abstract ：The selection and arrangement of wind turbine generators are important in the feasibility re -search of wind farm construction,which has a important influence on the cost and power benefit.Base on the evaluation of wind resource in Dalian and wind turbines manufactu

4、re level at home and abroad, four kinds of turbines were choosed arranged in two referenced sites to predict the theoretical generated energy,Choose the most suitable wind turbine by compareing the technology and economics. Finally No. 1site was determined to be the optimal site for wind turbine arr

5、angement. in which 34wind turbines with the capacity of 3MW could be installed by 2rows and 17columns, the energy of 262.62million kWh was generated on-grid each year.Key words ：offshore wind farm in dalian ；selection of wind turbine ；locate ；capacity factor 0引言继陆上风电成熟发展之后，近海风电正稳步兴起。与陆地风能相比，海上风能具有风速

6、高、机组利用率高、受噪音标准限制小等优点。我国海上风能资源非常丰富，在近海和沿海地区可以利用的风能资源约有7.5亿kW 。与迅速发展的欧洲海上风力发电技术相比，我国海上风电技术还处于起步阶段，上海东海大桥10万kW 风电场的建设拉开了我国海上风电建设的序幕。大连地处东亚季风区，西北濒临渤海，东南面向黄海，陆地及近海地区季风特点明显，风力较大，6级或6级以上大风日数为90140d/a，年平均风速为36m/s，是我国东北地区风速较大的地区之一。本文就大连近海风电场的机组选型与布置进行可行性初探。1大连近海风资源从大连气象局收集到大连，长海、庄河和旅顺4个观测站的19712000年气象记录资料，通过

7、整理、分析可知，2000年（代表年）大连近海地区10m 高度处的年平均风速为5.0m/s左右（图1），风速等值线的走向与海岸线基本平行，渤海一侧的近岸风速大于黄海一侧；年平均风功率密度普遍为180W/m2左右（约为内陆地区的3倍），并且可再生能源Renewable Energy Resources第29卷第4期2011年8月Vol.29No.4Aug. 20115林艺，等大连近海风电场风机机组的选型与布置初探呈由海上向内陆递减的趋势；年有效风力小时数普遍达到6000h 以上。通过数值模拟分析了大连近海区域20，55，80，110m 高度处的年平均风速、年平均风功率密度、年有效风力小时数的分布概

8、况1。2场址选择综合考虑年平均风速、年有效风功率密度、年有效小时数和场址的海洋水文地质条件，并避开大连沿海地区的港口和航道，选定大连金州湾海区（1号场址）、金石滩附近的黄嘴子湾与常江澳海区（2号场址）为大连近岸海上风电场的建设场址。相关的选址参数见表1。3海上风电机组选型3.1机型选择选择机型应考虑风电场场址的风资源条件，合适的风资源条件有利于提高风电场的发电效益；海上风电机组须具备较强的抗风、抗潮湿、防盐雾腐蚀等性能；风电机组还应满足一定的安全等级，依据极大风速和平均风速将机组划分为IEC S ，IEC I ，IEC II ，IEC III ，IEC IV 5个级别，海上风机的安全等级一般都

9、在IEC II 以上2。风电机组的结构形式为具有代表性的水平轴、上风向式、三叶片风力机型。风力发电机功率调节方式分为定桨距失速调节和变桨距调节两大类，二者各有优缺点。前者因切入风速小，低风速时效率也较高，故对平均风速较小的风电场有较好的适用性，但风力机经常工作在风能利用系数较低的点上，风能得不到充分利用，且性能受叶片失速性能的限制，在风速超过额定值时发电功率有所下降。后者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，风能利用系数相对较高，缺点是增加了操控机构，故障率高，控制程序比较复杂。从目前市场情况看，变桨距调节方式将逐渐取代定桨距失速调节方式，是兆瓦级风

10、力发电机及海上风机发展的方向。3.2单机容量范围国外从20世纪90年代开始建设海上风电场，单机容量逐步增大。近年来，国外海上风电场已安装及运行的主流机型主要包括Vestas2.0MW 和3.0MW 机型、Bonus2.0MW 和2.3MW 机型、GE3.6MW 机型等，4.5MW ，5MW 机型也在近些年相继推出。上海东海大桥10万kW 海上风电场的34台风电机组也已整体安装成功，该项目全部采用华锐风电自主研发的全球技术最先进的3MW 海上风电机组。参考已建海上风电场示范工程及国内外主要风机设备生产厂家各机型的相关技术参数，拟定单机容量方案。综合比较各厂家不同型号的风电机组，选择Vestas

11、具有代表性的2MW ，3MW 机组和华锐公司的3MW 机组共4种机型进行参考。各种机型技术参数见表2和图2。（1）平均风速图（m/s）图12000年大连近海区域10m 高度风资源状况Fig.1Wind resource at ten meter height in offshore area ofDalian in 2000（2）功率密度图（W/m2）年平均风速年平均风功年有效风水深m/s率密度/W m -2力小时数/hm 金州湾（1号）5.15.41806500810金石滩（2号）5.15.418065001226表1评估相关参数（10m 高度处）Table 1Technical param

12、eters of evaluation （10meter height ）地点项目V80V90V112S105单机容量/MW2333表24种机型技术参数对照表Table 2Technical parameters of four wind turbine generators120.6E 121.2E121.8E122.4E123.0E 123.6E40.2N 40.0N 39.8N 39.6N 39.4N 39.2N 39.0N 38.8N 38.6N 38.4N40.2N 40.0N 39.8N 39.6N 39.4N 39.2N 39.0N 38.8N 38.6N 38.4N120.6E

13、121.2E121.8E122.4E123.0E 123.6E63.3轮毂高度选择根据初步选定机型的技术资料可知, 配套的标准塔架高度为80110m 。经对比80m 和110m 高度的风资源情况可知，当高度超过80m 后，年平均风速、年平均风功率密度和年有效小时数的增长幅度减缓。随着高度的增加，基础费用、塔架和吊装费用也会随之增加，大大提高了发电成本。因此，本研究拟定机组轮毂为80m ，此高度的风资源分布情况见图3。3.4机型选择方案初定将选定的4种机型分别应用到大连近海已选定的1号和2号场址，并进行初步的布置，得到7种方案（表3）。其中，2号场址只布置3MW 的机组。3.5方案的技术经济比选

14、机型选择应该满足技术可行和经济性最佳的条件，控制设备和施工成本，提高机组利用率，整体上提高风电场的发电效益。（1）可运行的风速范围的比较由表2可知，4种机型的切出风速相同，均为25m/s；SL105和V112的切入风速最低，当风速为3m/s时就能并入电网发电，并且在12m/s时（1）平均风速图（m/s）图24种机型功率曲线图Fig.2The power curve of four wind turbine generators项目Vestas80V90V112SL3000/105台数/台50343434总装机容量/MW100102102102安全等级IEC IA IEC IIAIEC S IE

15、C IIA叶片数/个3333风轮直径/m8090112105扫风面积/m25027636298528443轮毂高度/m8080/90/105根据场址定80/90/100/110额定风速/ms -116151212切入风速/ms -143.533切出风速/ms -125252525风轮转速/rmin -110.819.18.618.46.717.77.517.5塔架型式圆筒圆筒圆筒圆筒续表2350030002500200015001000500004812162024功率/k W风速/ms -1V80V90V112SL10540.2N 40.0N 39.8N 39.6N 39.4N 39.2N

16、39.0N 38.8N 38.6N 38.4N120.6E121.2E121.8E122.4E123.0E 123.6E（2）功率密度图（W/m2）40.2N40.0N 39.8N 39.6N 39.4N 39.2N 39.0N 38.8N 38.6N 38.4N120.6E121.2E121.8E122.4E123.0E 123.6E（3）年有效小时分布图40.2N 40.0N 39.8N 39.6N 39.4N39.2N 39.0N 38.8N38.6N 38.4N120.6E121.2E121.8E122.4E123.0E 123.6E图380m 高度风资源状况Fig.3Wind res

17、ource at 80meter height2号39N12206E一V80250矩形布置3排17列二V90334三V112334四SL105334五V90334六V112334七SL105334表3风电场方案Table 3Wind farm projects方案场址测风点位置机型单机容量/MW台数台布置形式3911N 12120E 1号矩形布置2排17列沿海岸线5排可再生能源2011，29（4）7就能满额发电，理论上发电效益最高，经济性较好。（2）扫风面积的比较不同机型的发电量主要取决于风机的扫风面积。在单机容量一定的前提下，扫风面积大的风机的发电效益较好。选择风机机型的原则是应尽可能选择每

18、千瓦扫风面积大的风机, 以增加工程的投资效益；在每千瓦扫风面积基本相同时，应选择单机容量大的风机，以减少风电场的配套费用。本文4种机型的每兆瓦扫风面积分别为2513.5，2120.67，3284，2814m 2，可见V112机型最优，SL105机型次之，V90机型最劣。（3）理论发电量的比较根据各机型的功率曲线、风电场场址的风资源状况，采用WAsP 软件可以初步计算出每台风机的发电量、机组理论发电量和尾流的影响。风电场容量系数是风电场在一段时间内的实际发电量与这段时间内的额定发电量的比值，它等价于风电场在一段时间内满负荷工作的时间，代表了风电场总的发电情况3。计算结果汇总见表4。综合分析两个场

19、址可知，在总装机容量相同或相近的情况下，单机容量为3MW 的V112机型总发电量最大，其次为3MW 的SL105机型，再次为2MW 的V80，3M W 的V90最小。（4）场址建设条件的要求风电场场址的建设条件包括施工安装、设备运输及风机并网条件等。本风电场位于大连近海海域，对各种单机容量的风机来说，风电场交通运输及风机并网条件差别不大。采用单机容量较大的风机可能对风机基础受力、施工设备及风机设备安装条件提出更高的要求。（5）水深和海域使用范围限制1号场址的海底地形较平缓，风电场的水深为810m ，可利用范围较大，可布置50台2MW 风机或34台3MW 风机；2号场址的水深为1526m ，地形

20、较陡，因此海域使用范围有限。采用较大单机容量方案有利于减少工程占海范围。综合以上各项因素可知，3MW 的V112机型和华锐公司的SL105机型是较优的选择。4机组布置4.1布置原则风通过风机风轮后，风速下降，并产生湍流，对其后面风机的运行产生影响。为了减少风电机组间的相互影响，降低机组联网费用，本研究根据风电场场址风能资源分布情况和场址建设条件，遵循以下原则布置风电机组4。根据风向玫瑰图，准确判断风电场盛行风向，合理选择风机间距，尽量减少风机间尾流的影响。根据经验值可知，在盛行风向上要求机组间隔距离一般为59倍风轮直径，在垂直于盛行风向上机组间隔距离一般为35倍风轮直径，在多排布置时应呈梅花型

21、排列，即前后两排相互交错。应避开风电场场址附近通信、电力、油气设施和渔业养殖场。应避开航道，尽量减少对船舶航行的影响。应考虑工程施工船舶进场、抛锚、掉头等对风机间距的要求。4.2机组布置根据风电场场址的风向玫瑰图，确定两个场址的主导风向均大致为北风向(N，所以机组南北排列的间距为5601008m ，东西排列的间距为336560m 。参考东海大桥海上风电场对风机间距的优选结果5，本研究确定风机南北向间距为1000m ，东西向间距为500m 。2号风电场场址的水较深，为降低施工难度，选择水深为816m 的区域多排布置风力机，但该风电场尾流影响较大，缆线较长，施工费用较高，发电量也没有1号风电场高。

22、综合考虑，1号风电场的发电效益较高，尾流影响较小，投资成本较低，发电机的利用率较高。本研究选择1号风电场场址的方案，即在测风点南侧布置2排17列共34台风机，南北向间距为表4各方案理论发电参数比较Table 4Comparison of theorical generate electricityof all projects年总发电平均单机发尾流影年等效满负荷容量量/GWh电量/GWh响/%运行小时数/h系数一307.5946.1526.753075.940.351二279.1718.2115.752736.970.312三375.17111.0346.403678.150.420四342.

23、43310.0726.543357.190.383五258.9107.6157.852538.330.290六350.86810.3208.793439.880.393七319.3419.3928.933130.790.357方案注：理论年等效满负荷运行小时数=年总发电量/风电场装机容量容量系数=运行小时数/全年小时数林艺，等大连近海风电场风机机组的选型与布置初探8可再生能源2011，29（4）1000m ，东西向间距为500m 。5风电场年上网电量计算选择1号风电场3MW 的V112机型进行计算分析。34台风机标准状态下理论年发电量为37517.1万kWh ，平均单机理论年发电量为1103.

24、4万kWh 。风电场年上网电量是在理论发电量的基础上，考虑风机利用率、气候、空气密度、功率曲线、风机尾流、风机叶片腐蚀污染、湍流强度、风电场内能量损耗等因素的影响，对其进行修正，得出风电场年上网电量。大连海上风电场年发电量的修正系数约为70%，据此推算风电场的年上网电量为26262万kWh ，平均单机年发电量为772.4万kWh ，风电场年等效负荷小时数为2575h ，容量系数为0.294。一般来说，年可利用小时数超过3000h （容量系数为0.34）的风电场场址为优秀场址，年可利用小时数为24003000h （容量系数为0.270.34）的场址为良好场址。综上所述，本风电场为良好场址，具备开

25、发价值。6建议国家发改委明确提出，风电设备国产化率要达到70%以上。目前国内的华锐风电公司已经在致力于开发海上风电机组，并成功应用在上海东海大桥风电场。国产化率是今后海上风电设备选型中应重点考虑的问题。海上风机多采用矩阵式梅花桩布置形式，这种布置形式结构紧凑，但尾流影响较大，且不利于风机的安装、维护管理6。圆形或环形布置形式则有利于风机的安装，风电场的维护管理和其它配套设施的布置，而且风机之间的尾流影响较小。参考文献：1黎明. 猴石山风电场风能分析与机组布置研究J.人民长江，2009，40(2:98-100.2邢作霞，隋红霞，张忠丛，等. 世界风电设备制造信息J.上海电力，2007（1）：97

26、-103.3李健英，杨永辉.WAsP 软件在风电工程中的应用A.上海市水利学会第十二届学术年会论文集C.上海：上海科学技术出版社，2005.4宫靖远. 风电场工程技术手册M.北京：机械工业出版社，2004.5白绍桐, 胡晓春, 陈显扬，等. 风电场微观选址工作的探讨J.华电技术，2008，73（3）:73-76.6邢作霞，陈雷，王超，等. 欧洲海上风电场其运行经验J.可再生能源，2006，127（3）：98-101.（上接第3页）尽早建立适应可再生能源发展的新的体制模式，实现可再生能源与传统能源的真正融合。第三，合力实现可再生能源发展的目标。作为一个包含多个国家的经济体，欧盟为实现整体的发展目

27、标，积极协调各成员国的发展总量及节奏，统一技术标准，发展基础设施，建立共同市场。此外，欧盟充分发挥市场机制的作用，使各成员国在共同实现目标的方式上表现出较强的灵活性。面对我国可再生能源资源分布和消费区域不一致的现实，在制定国家可再生能源开发总量目标的同时，应尽快制定实施新能源发电配额制，充分发挥市场机制在促进资源开发和空间转移方面的作用。参考文献：1EUROPEAN WIND ENERGY ASSOC IATION.Wind inpower 2010European statistics EB/OL./fileadmin/ewea_documents/documents/statistics/EWEA_Annual_Statistics_2010.pdf，2011-04-10.2EUROPEAN COMMISSION. Directive 2009/28/EC,onthe promotion of the use of energy from ren ewablesources and amending and subsequently repealing Di