第38卷第6期2010年6月Vo.l38No.6Jun.2010风电场的选址及布局优化仿真乔歆慧1,张延迟2,3,解大1(1.上海交通大学电气工程系,上海200240;2.华东理工大学自动化系,上海200237;3.上海电机学院电气工程系,上海200240)摘要:风电场建设选址及风机选型与布局是风电场设计的核心内容。
基于以上两方面介绍了风能特性、风电场设计的基本思想及设计准则。
通过W i ndFarme r仿真软件完成了风电场优化设计实例。
关键词:风电场;风电场选址;风电场规划作者简介:乔歆慧(19852),女,硕士研究生,从事并网型风电研究和电力系统仿真。
中图分类号:T M614;TK80文献标志码:A文章编号:100129529(2010)0620934203L oca tion Se lection ofW i n d Farm and O p ti m iza tion Si m ula tion of Its Layou tQIA O X i n2hu i1,Z HA NG Y an2chi2,3,XIE Da1(1.Dept.of E lectr i ca l Engi neering,Shang ha i Jiaoto ngUn i v.,Shangha i200240,Ch i na;2.Dept.of Auto m a ti on,East Ch i na Un i versity of Sc ience and Technol ogy,Shangha i200237,Ch i na;3.Dept.of E lectr ica l Engi neer i ng,Shangha i D i anjiUn i v.,Shangha i200240,Chi na)Ab stra ct:The core contents of the desi gn of t he w i nd far m are the l oca ti on selectio n for t he co nstructio n and the ty pe se lecti on and layo ut for the fan.The characteristi cs of t he wi nd energy and the basic thought and des i gn criter i on for the desig n of the w i nd far m were presented based o n the t wo aspects above.The practi ca l examp l e of t he o pti m izatio n design for the w i nd far m was co m pleted usi ngW i nd F ar m er si m ulatio n soft ware.K ey w or ds:w i nd far m;locati on se lecti on of t he wind farm;progra mm ing of the w i nd far m风电场的建设规划是风力发电工程的首要任务,主要包括两方面。
一是风电场的选址,通过风能资源评估选择适合建设风电场的地点;二是风力发电机的选型及布局,满足最大限度地利用风能资源及最低的环境影响。
基于以上两点进行风电场最优规划,是确保最大限度地利用风能及产生最大经济效益的先决条件。
1风电场选址的考虑因素(1)风力资源风能的利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他的能源形式。
高纬度与低纬度之间的温度差异可形成南北之间的气压梯度,使空气作水平运动而形成风。
地球自转所产生的偏向力也是产生风能的主要原因。
除以上两方面外,风能在很大程度上受海洋、地形的影响,时空分布较为复杂。
风能的大小与气流密度通过的面积及气流速度的立方成正比,其中空气密度(Q)、气体速度(v)随地理位置、海拔、地形等因素变化。
普遍采用的风速模型是4种风速的叠加,即V=V WB+V WG+V WR+V WN(1)式中VWB)))基本风;VWG)))阵风;VWR)))渐变风;VW N)))随机噪声风。
(2)地形对风速的影响当冷空气在斜坡地形上因重力而加速下滑所形成的风叫做流曳风,或称重力流及下坡风。
在冷空气能够翻越某一段山地的情况下,才会出现背风坡的流曳风。
山脚处流曳风的风速与山顶及山脚处的温差有关。
一般,温差越大,风速越快。
当气流经过山谷时,由于横截面减少,造成气流速度加大,形成狭管效应。
地形斜坡由于热力的作用很容易构成斜压性,是产生低空急流的主要原因。
在斜压大气中,水平温度梯度会引起地转风随高度的变化。
(3)观测点选取风电场风能观测点的位置选取与风能的准确度量及风电机组控制密切相关。
一般来说,海域观测点风能的不稳定性较小,高山测点有一定的不稳定性,而城郊测点风能的不稳定性较大。
自乔歆慧,等 风电场的选址及布局优化仿真0935然风在风速及风向方面的不稳定性主要与地貌及地形条件有关。
鉴于风能的不稳定性及现有气象风资料观测周期较长的现状,对不同地貌条件下的风速及风向变化进行同时逐秒的观测是必须的。
(4)环境价值环境价值是对环境效益的货币化。
风力发电环境价值的评估是相对于常规煤电而言的。
评估发电厂的环境价值,首先要评估污染物排放的环境价值标准(EVS)。
参考中国排污总量收费标准(PCS)及美国环境价值标准,评估得到目前中国电力行业各种污染物减排的环境价值标准,作为衡量环境价值的基准。
根据污染物的排放量(或减排量)就可以计算工程的环境成本G =E ni=1V eiQi(2)式中 V ei )))第i 项污染物的环境价值;n )))污染物总数。
据估算,相对常规煤电而言,风力发电的环境价值是0.28元/(k W #h),不包括占地和耗水减少所产生的生态价值,远高于天然气0.09元/(k W #h)的环境价值。
单位电量下的环境价值具有普遍意义,与装机容量的大小与运行小时数无关。
2 风力发电机选型及布局(1)输出功率与风速的关系图1 风力发电机动力曲线图1为风力发电机的动力曲线,表明了发电机在不同风速下产生的功率。
可见,在风速较低时,输出功率随风速的提高而变大。
达到一定值之后,功率不再随风速的提高而变化。
因此,风力机组的位置不必刻意选取在风速最高点,而应该寻找风力达到要求且风能特性稳定的地方。
所以,山顶等风速高但特性不稳定的地形,不是风机安装的理想位置。
(2)漩涡系数风力发电机的漩涡系数用以表征两台风机同时运行时对通过的风力产生的旋涡效应,其与风速的关系如图2所示。
这个因素的存在使两台风机不能相隔太近的距离,否则会对彼此的正常工作产生不利的影响。
图2 漩涡系数与风速的关系(3)噪声污染风力发电机组产生的噪声是风力发电的一个不利因素,在风电场设计中必须考虑噪音对周边环境的影响。
一般来说,风力机组产生的噪音影响与距离有关,距离越远,影响越小。
3 仿真分析(1)风电场初步规划利用风电场设计及优化软件W indFar m er 完成风电场优化实例。
选取软件中模拟建设风电场的小镇及周边地区作为分析对象。
考虑建设风电场的地形(见图3),其中包括等高线、已被利用的建设用地及可供建立风电场的空地区域等。
通过综合考虑软件提供的风能分布图(EnergyM ap),初步选择风电场的建筑区域(A 区域)。
图3 风电场初步选址09362010,38(6)图3中,B 区域是已被利用的建筑用地,其余部分是可供建设风电场的区域。
在此基础上,根据风能分布图选择风速较高的区域,完成风电场的初步选址。
完成风电场初步选址后,要决定风力发电机组的摆放位置。
本例选取6台风力发电机。
考虑到风力发电机输出功率与风速之间的关系,优先考虑在图4中风速较快的D 及C 区域摆放风机。
由于风通过风机时造成漩涡效应而产生的不利影响,需要保持风机之间的距离。
综上,风机的初步摆放位置如图4中曲线区域所示。
图4 风机初步布局风电场初步规划方案下风机相关数据如表1所示,所产生的噪音影响如图5所示。
表1 风电场初步设计风机编号临近风机距离/m 年输出功率/MW #h海拔/m 尾流损耗/%12.20535904112.6521.22834754053.4532.23333403944.2246.26031563742.3053.24932343783.5964.26031573774.40(2)仿真优化结果利用W i n dFar mer 软件对以上经过初步规划的风电场进行进一步的优化设计。
优化目标主要有两方面。
其一是使风电机组年输出功率得到提高,其二是风电机组对周边环境的影响降到最低。
通过多次软件优化,得到图6的风电场优化设计及表2的风机相关数据。
由表2数据可知,风电场经过W i n dFar mer 软件优化设计后,风电机组总出力得到了约3.96%的提升,风力资源得到了更充分的利用,提高了风电场的经济效益。
图5噪音分布曲线图6 风电场优化设计表2 风电场优化设计风机编号临近风机距离/m 年输出功率/MW #h海拔/m 尾流损耗/%14.19237484191.3024.19235164104.1035.19433873922.5646.26031563742.3053.19435383992.3662.22934203973.234 结论本文综合考虑风能资源的充分利用、避免风机之间相互影响、噪声及其他相关不利因素以及经济性等,配合W i n dFar mer 软件,完成风电场的最优规划。
在实际建设风电场时,也必须考虑目前风力发电高昂的造价和有限的发电能力以及对周边环境造成的不利影响,同时要考虑额外的控制设备及方法确保风机保持持续稳定的输出。
收稿日期:2010203223本文编辑:杨林青。