风力发电场的构成特点与选址研究

米云宝

摘要：在现代化进程发展推动下，社会中能源需求量不断激增，作为环保可再生能源的代表，风能的利用受到广泛青睐，风力发电场的建设规模日趋扩大。一般发电厂，风力发电场具有一些不同的特点；在风力发电场选址方面，需要综合考虑经济性和环保性的原则，结合具体情况，采取科学的方法来选址，保证建设的风力发电场具有较高的经济效益和社会效益，推动我国社会经济获得更好更快的发展。

关键词：风力发电场；设计；选址

基于风力发电场不同的构成特点，风力发电场将风能转化为电能为了实现这些功能，简要分析了风力发电场的构成特点和选址。

一、风电场的特点

风力发电具有清洁、环境效益好、可再生、永不枯竭、基建周期短、占地少、投资少、装机规模灵活、技术相对成熟、自动控制水平高、运行管理人员少等优点。风力发电是一种主要的风能利用形式，中国风力发电已经开展了多年，随着技术水平的提高和市场不断扩大,近年来风力发电增长迅速。风力发电场的特性包括：一是风力资源比较的丰富，风能是风电场的发电资源，只有大气能够流动，就有风产生，因此它是无限利用的；二是风力发电的环保性较好，风力发电属于绿色产业，不需要消耗大量的常规能源，在发电过程中，不会将任何污染物排放到大气中，可以对大气环境起到有效的保护作用。三是分散生产的特点，因为风力发电机组只有较小的单机容量，每一个风电场具有较多的发电机组，因此，风电场电能生产的分散性特征较为明显，如果建设的风电场有着百万千瓦级规模，需要的风力发电机组有几百台之多，在方圆几十公里的范围内广泛分布；四是风电场还有着多样化的机组类型，风力发电过程中，应用了较多类型的发电机，包括同步发电机和异步发电机等。

二、风力发电场的构成

风电场风力发电系统是由风电场、电网以及负荷构成的整体，是用于风电生产、传输、变换、分配及监控保护的系统。风电场是整个风电系统的基本生产单位，风力发电机组生产电能，变电站将电能变换后传输给电网。电网是实现电压等级变换和电能输送的电力装置。风电场是由风电场电气部分、风电场建筑设施和风电场组织机构三部分构成。风电场的电气系统和常规发电厂一样，也是由一次系统和二次系统组成。电气一次系统用于电能的生产、变换、分配、传输和消耗，对一次系统进行测量、监视、控制和保护的系统称为电气二次系统。

风电场电气一次系统和电气二次系统是由具体的电气设备构成的。构成电气一次系统的电气设备称为一次设备，构成电气二次系统的电气设备称为电气二次设备。一次设备是构成电力系统的主体，它是直接生产、输送、分配电能的电气设备，包括风力发电机组、变压器、开关设备、电力母线、电抗、电容、互感器、电力电缆和输电线路等。二次设备通过CT、PT同一次设备取得电的联系，是对一次设备的工作进行监测、控制、调节和保护的电气设备，包括测量仪表、控制及信号器具、继电保护和自动装置等。风电场一次系统由四个部分组成，即风力发电系统、集电系统、升压变电站及风电场用电系统。其中，风力发电系统主要包括风力机（风轮）、发电机、电力电子换流器（变流器）、机组升压变压器（集电变压器）等。风电场的风力发电机组本身输出电压为690V，经过机组升压变压器将电压升高到10kV或35kV。集电系统的主要功能是将风力发电机组生产的电能以组的形式收集起来，由电缆线路直接并联，汇集为一条10kV或35kV架空线路（或地下电缆）输送到升压变电站。升压变电站的主变压器将集电系统输送的电能再次升高，一般可将电压升高到110kV或220kV接入电力系统，百万千瓦级的特大型风电场需升高到500kV或更高。

风电场用电主要是维持风电场正常运行及安排检修维护等生产用电和风电场运行维护人员在风电场内的生活用电。并网型风力发电系统是由计算机自动控制的综合性系统。在自动控制程序下，风力机即风轮，将风的动能转变成传动装置的机械能并传递给发电机，由发电机将其转化为电能，输送给电网。其中，偏航系统主要是驱动风轮跟踪风向的变化，使其扫掠面始终与风向垂直，最大限度地提升风轮对风能的捕获能力；液压系统为制动系统、偏航驱动与制动及变桨距机组的变距机构提供动力来源。风电场建筑设施包括场内各种土建工程项目，如管理人员和运维人员的办公、生活建筑及道路等。组织机构是风电场运行与维护的管理部门。

三、风力发电场的设计

1、风电场的设计原则。风电场的设计首先要考虑到安全性、经济性、环保性和高效性四个原则，这是风电场建设中关键的第一步，直接关系到风电场未来的发展。

（1）安全性原则。不同的风场条件具有不同的风况，气候因素等外部条件，因此风电机组根据不同的现场条件有不同的设计要求及相应的安全等级。参考IEC61400-1(第三版)风电机组等级表中要求。风电场内的风电机组的位置确定后，根据相关IEC标准，还需要对风电机组的现场风况条件进行安全性评估，评估的风资源参数主要有:风电机组轮毂高度处的50年一遇最大10min平均风速；在切入风速和切出风速之间的风速分布概率密度(A、K)；轮毂高度处的环境湍流强度；入流角度(入流气流与风机扫风平面的夹角≤8°)；风切变系数0

（2）经济性原则。建设风电场首先要考虑经济效益，这是前提条件。风电场的经济性指标主要是指风电场的度电成本。度电成本由年发电量、运行维护费用及项目投资年折旧等决定。其中，项目投资年折旧取决于项目总投资、贷款利率及折旧年限等。为达到较好的经济效益，一方面要选择风资源丰富的场址，并安装与之相匹配的风力发电机组，可以提高机组的年发电量，从而减少度电成本；另一方面要降低风电场总投资。风电场总投资包括选址评估费、设备造价、设备运输和施工费，以及征地费、土建工程费、道路的修建和接入系统的方式等。

（3）环保性原则。风力发电在减少常规能源消耗的同时，能够实现向大气零排放污染物，对保护大气环境有着积极作用。然而，风力发电在某些方面对环境还是有不利影响的，主要表现在噪声、电磁干扰及对生态环境的影响方面。风电场的噪声主要来源于发电机、齿轮箱、气流经过叶片被切割及风轮后产生的尾流等因素。因此，风电场场址选择要远离居民区。风电场电气设备在运行时产生的电磁辐射会对电视信号、无线电导航系统、微波传输等产生影响。为防止和减轻电磁干扰，设计场址时要避开微波传输路径。风电场对当地生态环境的影响主要是土地利用、施工期间对植被的破坏及对鸟类等野生动物栖息环境的改变等方面。

（4）高效性原则。风电场建设在考虑经济性和环保性原则的同时，也要考虑其高效性。首先，并网型风电场设计时要尽量靠近电网，减少输电系统投资及损耗；其次，由于风电输出具有很强的波动性和间歇性，设计风电场时要考虑发电设备和电网的接纳能力及承受能力。

2、风电场设计选址的方法。在风电场建设之前，前期的选址工作是关键而又重要的一步。风电场场址选择的恰当与否直接影响着风电场建成投产后的风资源利用率、风电场年发电量以及风电场对周围环境等的影响。（1）资料分析法。首先搜集初选风电场场址周围气象台站的历史观测数据，包括：海拔高度、风速及风向、平均风速及最大风速、气压、相对湿度、年降雨量、气温、最高和最低气温以及灾害性天气发生频率的统计结果等。然后在初选场址内建立测风塔，并进行至少1年以上的观测，主要测量10m、70m、100m高度的10min平均风速和风向、日平均气温、日最高和最低气温、日平均气压以及10min脉动风速平均值。最后对测风塔数据进行整理分析，并将附近气象台站观测的风向风速数据订正到初选场址区域。（2）实地调研法。资料分析法主要针对的是条件较好的区域，如果某些地区缺少历史测风数据，同时地形复杂，不适宜通过台站观测数据来订正到初选场址，可以通过当地地形地貌特征、植物变形情况、风成地貌现状，并综合当地居民调查，对场址内风资源情形进行评估。最后是软件分析法，随着科学技术的不断革新，数值模拟技术得到了不断发展，并且资料分析法在实际应用中，有一定的局限性存在于资料的时空分辨率方面，因此，在风电场微观选址中，开始应用更多的高分辨率气象模式及流体力学计算软件。（3）现场踏勘分析法。现场踏勘中应检查数字化电子地图与实地的差异，并详细记录。绘制拟建风电项目区域（应包括测风塔和项目内的所有风电机组）且向外延伸2Km范围内，新近实测的1：2000（或1：5000）的数字化电子版等高线、粗糙度和障碍物地图（WasP *.map 或 AutoCAD 形式）。依据地形、地貌、植被等特点，以经验判断地形对风的影响，并多方询问场地内的风资源状况；分析地形对场址内不同地点风资源影响；分析场址内的地貌变化，自然形成的沙丘等的位置和分布，可代表风资源的变化。现场踏勘主要的拟定机位点，并现场做好记录；地形变化是否会引起较强的湍流；洪水汇集处和主要流经地；由主要的地形地貌，简单判断其地质情况；修建场内运输、维护道路的成本和难度；如安装风机后，对当地风景的影响；项目场内集电线路的距离等。在现场选取适当的代表性较强的镜头，拍照留存。

3、风电场设计影响因素。（1）风电场地形地貌。满足风电机组的运输条件和安装条件。在平坦地形条件下，满足这一原则是很容易的的。在山区，满足这一原则经常有难度。要根据所选机型需要的运输机械和安装机械的要求，机位附近要有足够的场地能够作业和摆放叶片、塔筒，道路有足够的坡度、宽度和转弯半径使运输机械能到达所选机位。（2）障碍物的尾流因素。在风电场中有时会碰到障碍物。障碍物的尾流的大小和强弱与其大小和体型有关。研究表明，对于无限长的障碍物，在障碍物下风向40倍障碍物高度，上方2倍障碍物高度的区域内，是较强的尾流扰动区，风电机组的布置必须避开这一区域。障碍物会降低障碍物下风向区域的风速，障碍物影响的大小取决于其本身的疏密程度，即透风率。建筑物的透风率最低，冬季的开阔树林具有一定的透风性，而夏季茂密的树林的透风率比较低。一般来讲，障碍物的长度越长，高度越高，相应的对风速的阻碍效果越明显。（3）风机之间尾流因素。气流在经过风机叶片时能量会减小，实际上，风机的叶片对风速有阻挡作用，在风机的下风向会产生类似轮船尾流的效果，该区域内会产生较大的湍流，同时风速也会降低。风电场的风机布置应考虑到风机之间尾流的影响，风机之间的距离至少保证3倍的叶轮直径，在主风向上，风机间的距离应更大一些。对单台风电机组，在距风轮2D-3D的顺风中心线处，风速减少35%-45%;在距风轮8D处，风速减少10%。尾流的直径在距风轮8D-10D为2.6D-2.8D。对于行距为8-11D，列距为2-3D的布置，第二排的能量损失在10m/s时为8-20%。在平坦地区进行的7行布置的风电场的测量，其行距为9D，列距2D，第七排比第一排能量约损失20%。值得注意的是，多行多列布置的能量损失，和地形、地面粗糙度也有关系。一方面，考虑到风机的尾流影响，我们应该使风机间的距离越大越好;另一方面，土地使用和电网连接的限制又要求风机间的距离尽可能小。根据经验，在平行于主风向方向上，风机间的距离一般保持5-9倍叶轮直径的距离;在垂直于主风向方向上，风机间的距离一般保持3-5倍叶轮直径的距离。（4）视觉上美观。在与主风能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。行间平行，列距相同。行距大于列距发电量较高，但等距布置在视觉上较好。追求视觉上的美观，会损失一定的发电量，因此在经济效益和美观上，也要有一定的平衡。

风力发电顺应全球新能源发展潮流，资源丰富、环境友好、适应能力强的特性奠定了其广阔的发展前景；深入研究风力发电技术，综合考量风电场选址方案将有利于推进风电建设的快速发展。 

参考文献：

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