戴 力1
1.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335
摘 要：利用我国黄海北部区域3座测风塔实测数据分析，该区域平均风速较低，近海平均风速基本在7.0m/s以下；风向、风能频率集中，主要集中在N方向；最大、极大风速较小，属于IECIII类海域。根据该区域的风资源特征，提出了适应于该区域的三步优化布置方法，即不同行间距、不同列间距均匀布置-减小前后排行间距、加大中间区域行间距布置-前后排风电机组错开梅花状布置，通过该布置方法，风电场平均尾流从12.31%下降至10.94%，能够有效提升风电场安全性及效益。
关键词：海上风电 低风速 资源特征 布置方法
近年来，海上风电因其资源丰富、靠近能源负荷中心、不存在土地占用等优势发展迅速，并促进了地方经济发展、推动了能源结构调整、带动了产业转型升级。我国海岸线从南至北长达1.8万公里，不同海域的资源禀赋呈现出不同的特征，南部海域平均风速大，但是受台风等极端破坏性天气影响大，北部海域平均风速小，但是受台风的影响小。北部海域风资源禀赋一般，平均风速较小，在海上属于风速相对较低的区域，因此也通常把该区域称作为海上低风速区域，目前对于海上低风速区域没有一个明确的定义，只是对于平均风速相对较低海域的一个通常说法。
由于海上低风速区域平均风速较小，发电量水平相对较低，在目前海上风电场造价水平居高不下的背景下，如何提升海上低风速区域风电场发电量是实现项目经济性、可行性的一个重要课题。对于一个特定海上低风速区域风电场，选择适宜的风电机组以及充分优化的风电机组布置是实现发电量提升的重要途径。海上低风速区域风电场选择风电机组更关注单位千瓦扫风面积，选择更大叶轮直径的风电机组，以便能够更多更充分地吸收风能转化为电能，同时兼顾风电机组的可靠性、性价比等因素，在风电机组选定的情况下，优化布置风电机组是进一步挖掘风电场发电量水平的重要手段。
我国黄海北部海域为典型的海上低风速区域，该区域近海年平均风速不到7.0m/s，本文以该区域为研究对象，分析该区域风资源特征，并在此基础上总结适应该区域海上风电场的风电机组布置方法，为海上低风速区域风电场发电量的提升提供一种思路和方法。
一、资源特征分析
我国黄海北部是典型的海上低风速区域，收集了黄海北部某区域近海3座100米高的海上测风塔实测数据，3座测风塔地理位置如图1所示。选择3座测风塔有效数据完整性更高、更具有代表性的测风年实测数据进行分析，该区域的资源呈现如下特征。
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图1 黄海北部某区域测风塔地理位置示意图
1、平均风速低
由图1可以看出，3座测风塔的选址兼顾了垂直岸线和平行岸线的考虑，通过3座测风塔实测数据能够推算出该海域不同空间位置的风资源特征。A测风塔离岸距离为11.8km，测风年实测年平均风速为6.18m/s，B测风塔离岸距离为17.3km，测风年实测年平均风速为6.24m/s，C测风塔离岸距离为31.2km，测风年实测年平均风速为 6.89m/s，3座测风塔测风年年平均风速均低于7.0m/s，对于海上区域来说风速是较低的。同时结合分析测风塔平均风速和离岸距离可以看出，在靠近岸线区域风速随着离岸距离的增加而带来的风速增加不明显，随着离岸距离的增加，风速随着离岸距离的增加而带来的风速增加显著，这是因为该海域的风由陆地吹来，离岸近的地方主要受陆地粗糙度的影响风速增加不明显，随着离岸距离增大，风速主要受陆地粗糙度影响转变为主要受海面粗糙度影响，因此风速增加显著。
图2为通过3座测风塔实测数据模拟的区域风能资源分布图，从图中可以看出，该区域的总体平均风速较低，在离岸40km范围以内平均风速基本上是小于7.0m/s，在离岸40km范围以外平均风速逐渐增大至7.0m/s以上。
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图2 黄海北部某区域风能资源分布图
2、风向、风能频率集中
图3和图4分别为黄海北部某区域3座测风塔风向玫瑰图和风能玫瑰图。由图可以看出，3座测风塔风向、风能频率非常集中，主要集中在N方向及附近方向扇区，N方向风向频率分别为16.5%、13.5%、11.1%，风能频率分别为30.4%、25.8%、18.9%，其次为S方向及附近方向扇区，S方向风向频率分别为7.3%、6.9%、7.8%，风能频率分别为5.6%、5.4%、8.9%。3座测风塔风向、风能频率出现最少的是E方向和W方向及其附近方向扇区，E方向风向频率分别为4.5%、4.1%、3.4%，风能频率分别为2.1%、2.3%、1.7%，W方向风向频率分别为3.6%、4.0%、4.8%，风能频率分别为2.1%、2.8%、3.8%。
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3、最大、极大风速值小
表1为黄海北部某区域3座测风塔实测最大、50年一遇最大和50年一遇极大风速统计表。经统计分析，3座测风塔实测最大风速分别为24.6m/s、27.4m/s、27.6m/s，50年一遇最大风速分别为35.5m/s、35.6m/s、36.2m/s，50年一遇极大风速分别为49.7m/s、49.8m/s、50.6m/s，因此该海域为IECⅢ类风电场区域。
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综上分析，黄海北部该区域风资源具有显著的特征：
（1）平均风速较低，该区域近海平均风速基本在7.0m/s以下，平均风速低，风电机组发电量水平有限，因此需选择可靠性更高、更适应于该区域的低风速型风电机组。
（2）风向、风能频率集中，主要集中在N方向，对于风电场风电机组布置是有利的，尽可能的垂直于N风向布置，能够有效提升风电场发电量。
（3）最大、极大风速较小，属于IECIII类海域，因此可以选择叶轮直径较大的风电机组以更多吸收风能，转化为更多电能。
二、布置方法研究
风电机组的布置和风电机组的选型是影响风电场发电量最主要的两个因素，本文拟采用适应于海上低风速区域的单机容量5MW、叶轮直径171m的风电机组作为本次布置方法研究的输入机型。在确定了风电机组选型后，风电机组布置方案应尽可能寻找发电量与投资水平最优的组合，目前市场上也有很多类似以度电成本最低、收益率最高等为控制目标的优化布置模型，然后在实际风电机组布置过程中，由于优化模型布置的方案往往比较凌乱，不利于风电场实际实施，因此还是首先以发电量最优及尾流最小为控制进行风电机组的布置。本文以该区域规模为30万kW的海上风电场址为对象研究风电机组优化布置方法，该场址平均风速为6.89m/s，主风向主风能均为N方向。风电机组布置主要按以下三步进行：
1、不同行间距、不同列间距均匀布置
由上文分析得到该区域主风向及主风能方向为N方向，且非常集中，因此风电机组主要垂直于N方向布置，在垂直于N方向上加大行间距，在平行于N方向上减小列间距，本文共拟定10D（行间距）-2.5D（列间距）、9D-3D、8D-4D、6.5D-5D共4个方案进行等行间距、等列间距的均匀布置，见图5至图8，利用风能资源评估专业软件（WAsP10.0）及结合该场址风能资源和选定的风电机组进行发电量推算，结果见表2。
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由表2可知，随着风电机组行间距增大、列间距减小，风电场平均尾流逐渐减小，风电场上网电量逐渐增大，但是当列间距减小到一定程度，即降至3D左右及以下时，由于风电机组之间东西方向的间距太小，东西方向的尾流过大，导致风电场平均尾流反而增大，同时也影响风电机组的安全运行，因此风电机组布置时候不能一味以风电场平均尾流最小和发电量最大为目标，同时还应考虑间距较小方向尾流大小，避免在该方向出现尾流过大、影响风电机组安全的情况出现。因此，该场址风电场风电机组推荐8D-4D布置。
2、垂直主风向方向间距调整布置
从上文风电场风电机组8D-4D均匀布置的计算结果可以看出，处于主风向N方向前排的风电机组的尾流非常小，处于次风向S方向前排的风电机组尾流也较小，而处于中间的风电机组尾流较大，而且三块区域尾流大小差异较大，这是由于主风向N方向和次风向S方向来风的时候，前排风电机处于上风向位置，受周边风电机组产生的尾流影响较小，而处于中间的风电机组的行间距不够大，受到N方向和S方向两边风电机组产生的尾流影响不能及时恢复，因此尾流较大。为了均衡3块区域尾流影响，达到风电场总体尾流最小的目标，均匀减小N方向和S方向的行间距，增大中间区域风电机组的行间距，这样N方向和S方向前排风电机组的尾流将稍微有所增加，但还是在一个比较低的水平范围，而中间区域的风电机组的尾流会有一个比较大幅度的减小。在8D-4D均匀布置方案基础上进行行间距的调整，如图9所示。由表2可见，通过该布置方式能够有效降低风电场平均尾流，风电场平均尾流由11.36%降低至10.98%，下降0.38%。
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图9 风电场风电机组布置方案（8D-4D调整间距）
3、梅花状布置
按照上文两个步骤能够基本得到一个较优的风电机组布置方案，但是由于该区域主风向非常集中，风电机组垂直于主风向布置，后排风电机组在前排风电机组的垂直线上，受前排风电机组尾流的影响也是最大的，为了能够进一步优化风电机组布置方案，可以将后排风电机组布置在前排每2台风电机组的中间区域，这样避免后排风电机组处于前排风电机组尾流影响最大区域，由于这种布置方式前后错开，类似梅花状，我们通常称作为梅花状布置。在8D-4D调整布置方案基础上进行梅花状布置，如图10所示。由表2可见，通过该布置方式能够进一步降低风电场平均尾流，风电场平均尾流由10.98%降低至10.94%，下降0.04%，下降幅度不是很大，但是如果对于规模更大的海上风电场，梅花状布置方式应该能够更有效地降低尾流。
通过以上三步优化布置，风电场风电机组基本能够得到一个最优的布置方案，风电场平均尾流从12.31%下降至10.94%，能够有效提升风电场安全性及效益。
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图10 风电场风电机组布置方案（8D-4D梅花状）
三、结论
综上所述，以黄海北部某区域为代表的海上低风速区域风资源特征及风电机组布置方法如下：
（1）通过3座测风塔实测数据分析，该区域平均风速较低，近海平均风速基本在7.0m/s以下；风向、风能频率集中，主要集中在N方向；最大、极大风速较小，属于IECIII类海域。
（2）对于该区域海上风电场风电机组布置主要分三步骤：首先通过不同行间距、不同列间距均匀布置并且以风电场平均尾流和东西方向尾流为控制的方式寻找到最优的行间距-列间距，其次在该行间距-列间距均匀布置基础上减小前后排行间距、加大中间区域行间距的方式优化布置能够有效降低平均尾流，最后通过前后排风电机组错开梅花状的布置方式进一步降低风电场平均尾流。通过以上三步基本能够寻找到海上低风速区域风电机组最优布置方案。