2.5　大中型风电场设计

2.5.1　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年的系列资料，风电场场址实测的风速风向资料应至少连续1年。

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1:10000～1:50000的地形图。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。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、电网等其他因素，提出近期工程场址位置。在有代表性的候选风电场位置上，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。对较复杂的地形，每3～5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1～3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。

风况资料与其他气象资料一样，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，以修正并完善风电场的测风资料，使短期资料有代表性。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

Y=C₁X+C₂X²　　（2-2）

或 　　 　　 （2-3）

2.5.2　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。

（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500～600kW级风力发电机，等效年利用小时数有2000～2600h，上网电价达到0.80～1.00元/（kW·h），项目就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陵地区。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测的年平均风速为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。

（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、密实的土壤或黏土，地下水位低，地震强度小。风电场四面临风，无陡壁，山坡坡度最好小于30°，紊流度小。

（3）交通运输方便　单机容量为500～600kW级的风力机，最重运输件为主机机舱，重约21t。主机装入13m长的集装箱后，需打开顶盖；最长件为风力机叶片，长约19～21m，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。

（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，风电场总容量不宜大于电网总容量的5％，否则应采取特殊措施，满足电网稳定要求。

（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；盐雾有强腐蚀性，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冻结成冰球，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。

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都应给予重视，综合考虑各种影响因素。

（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。有些地方种植有防风林、灌木或旱地作物等。风电场单位千瓦的土地征用面积仅2～3m²/kW，与中小型火电站相当，一般来说，土地征用较方便，但如果拟建的风电场有军事基地或国家重要设施，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，如风力机的噪声可能会对附近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候鸟产生影响，选址时应尽量避开候鸟迁移路线和栖息地等。

2.5.3　风力发电机组选型和布置

（1）单机容量选择　风电场工程经验表明，对于平坦地形，在技术可行、价格合理的条件下，单机容量越大，越有利于充分利用土地，越经济。表2-2列举了某风电场单机容量经济性比较。

由表2-2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组。

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，20世纪80年代初期，主要生产单机容量为50kW左右的风力机；20世纪80年代中期，主要生产单机容量为100kW左右的风力机；20世纪80年代末～90年代初，主要生产单机容量为150～450kW的风力机。从1995年起，已大批量生产单机容量为500～600kW的风力机。

近几年来，世界各个风力机主要生产厂商还相继开发了单机容量为750～1500kW的风力机，并陆续投入了试运行。

（2）机型选择　在单机容量为300～600kW的风力机中，具有代表性的为水平轴、上风向、三叶片、计算机自动控制、达到无人值守水平的机型。

功率调节方式分为定桨距失速调节和变桨距调节两类。两种功率调节方式比较见表2-3。

定桨距风力机有的机型采用可变极异步发电机（4/6极），其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。

2.5.4　风力发电机布置和风能计算

（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6.0～7.0m/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，布置风力机的间距可以越小。

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风经风力发电机组转轮后，将部分动能转化为机械能，排气尾流区的风速减小约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，前排风力机是后排风力机的障碍物，应用WAsP软件或其他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。

（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1～5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。

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

P（X）=（K/C）（X/C）^K-1exp［-（X/C）^K］　　（2-4）

式中，K为形状参数，K>0；C为尺度参数，C>0。

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，并据此进行理论分析计算。

在初选风力机机型后，依据其功率曲线和轮毂高度处的风频曲线，可求出该台机的年发电量。

风速是地理位置的三维函数，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的平均风速。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丹麦国家实验室（RISФ）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他风力机的障碍物，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，经反复迭代，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，需尽可能多地在预选风力机位置安装测风仪，实测风况数据，作为选址的主要依据。

2.5.5　风力发电机基础

（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2-4列出了几种风力机的基础荷载。

（2）地质勘探　基础设计前，必须做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在砂壤土或黏土地基上，应查明土层厚度、土壤的级配、干容重、砂壤土的内摩擦角、黏土的黏结力、地下水埋藏深度，允许承载能力等。

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、黏结力、摩擦角等。

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。

（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黏土地基。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；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。

2.5.6　风力发电场的经济效益和社会效益评价

（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，每度电的成本在逐年下降。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，单位度电静态投资约4.0元/（kW·h），单位千瓦静态投资约10000～11000元，度电成本电价约0.42元/（kW·h），还贷期上网电价约0.80元/（kW·h），可以与水电、核电和考虑脱硫设备的火电站竞争。

如风力机进口税为6％，增值税为8.5％，则总投资和度电成本相应增加约10％。因此，风力机进口关税是风电场上网电价高低的杠杆之一。

国家经贸委和电力部均在大力推进风力机国产化，国产化后风力机的价格可下降约20％，既可降低风电成本，又能促进我国机电工业的发展。

（2）财务评价　风电场财务评价尚无规范，目前参照水电项目进行计算。由于风力机主要部件，如叶片、轮毂、变速箱、发电机、塔架等使用寿命均按20年设计，故财务评价中计算期一般也取20年。采用进口风力机时，大修理费率建议取1％。

为降低还贷期上网电价，应加速折旧，综合折旧率可取7.5％～10％。

（3）环境与社会效益　风力发电是一种可再生的清洁能源，无论同火电、核电还是同水电相比，其环境效益和社会效益均十分显著。

①节煤效益和环境效益　按火力发电标煤耗350g/（kW·h）计算，风电场每年如发电1×10⁸kW·h，则每年可为国家节省标煤3.5×10⁴t。相应减少废气排放量为：SO₂为672t，NO_x为382t，CO为9.7t，C_nH_n为3.9t，减少温室效应气体CO₂为8022t，减少灰渣为10500t。可见风电场建设有十分显著的环境效益。

②社会效益　大力发展风力发电可缓解地区电力供需矛盾，改善当地居民用电状况和生产生活条件，促进区域经济发展。

风力发电作为一种新能源，从实验室走向偏远的山区、海岛等未与大电网联网的地区，再踏上并网运行的征途，迅猛发展，不是偶然的。它伴随着现代科技进步、石油危机、环境污染等机遇和挑战，有很强的生命力。

风电场设计工作的好坏，直接影响到风电场的效益、安全和稳定运行。总结前阶段设计工作经验，使风电场设计更先进、更合理，是当前风电发展的关键之一。