风电场微观选址与总图运输设计优化.doc

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1、风电场微观选址与总图运输设计优化 北京国电华北电力工程有限公司 张钧返回【摘要】 本文对风电场建设过程中的微观选址、风机机位的优化、风电场的征租地、风电场内的交通运输进行了初步的探讨，希望对风电场微观选址有所帮助，能够为风电场微观选址提供一点经验，为更好的降低风电场建设成本、提高风电场的经济效益作出一点贡献。【关键词】 风力发电 微观选址 风机位优化 交通运输引言随着人类社会的发展，能源、环境成为当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题，以清洁、可再生能源为主的能源结构将成为未来发展的必然。风能作为一种清洁、无污染的可再生能源越来越受到人们的关注，从某种意义上来说，风力发电将成为21世纪最具大规模

2、开发前景的新能源之一。发展新能源是我国能源建设实施可持续发展战略的需要，风力发电是新能源发电中技术最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的发电技术之一。风电可以缓解煤炭、石油、天然气等常规能源日益枯竭的压力，减少温室气体排放，改善我国日益严重的环境问题。近年来，我国风力发电得到了快速发展，己成为电力工业的重要组成部分。截止2008年底我国风电累计装机容量已达1217万千瓦，装机容量已跃居世界第四位，预计2020年将达到1亿千瓦装机。本文就风电场建设中微观选址、风机位的优化、风电场内的交通运输等影响风电场经济性的因素与大家共同探讨一下。风电场的风机布置优化由于具有良好风能资源的区域土地资源是

3、不可再生的有限的宝贵资源，但风能的能流密度很低，大型风电场的占地面积相对很大，因此，如何充分、高效地开发利用风能资源及经济、合理地减小风电场的占地面积将成为今后值得关注的重要研究课题。在满足风机设计出力的前提下，应对其风机布置进行反复的优化和经济评价。基于风资源的有限性、可建设风电场的场地的局限性，任何一个风电场均是在一个特定的区域内或指定的范围内工作，如不考虑各风机尾流的相互影响，则其风机数量布置越多，单位容量的平均投资成本越低，经济性越好。但实际上，当风经过风机的风轮叶片后，由于风轮吸收了部分风能，造成了风速下降并产生了尾流，且转动的风轮会导致湍动能增大，产生气流畸变、湍流，因此风通过风机

4、后风速会有一定程度的突变减小，这就是所谓的风机尾流效应。之后，在周围气流的作用下，经过一定的距离，风速会逐渐恢复，但在到达下游风机时，风速的恢复值与两风机间的距离有关。如风电场内风机布置过密，以致风经过上游风机后的风速来不及恢复而导致下游风机的工作风速过低，则将造成下游风机出力大大减小，风电场的单位电量效益较小、单位出力投资成本较大，经济性较差。反之，如风电场内风机布置过疏，风机总装机容量过小，则其单位容量的投资成本和运行维护费用均较高，经济性也较差。因此，根据风电场场址处的风能资源情况，在选定风机单机容量后，合理确定风机布置数量和布置形式是提高大型风电场经济性的重要设计环节。风电场微观选址首

5、先根据风电场的风资源情况和具体地形条件，确定适合该风电场的风机类型即进行风机选型。之后根据风况和具体地形条件，兼顾单机发电量和风力发电机组间的相互影响，拟定若干个风力发电机组布置方案。根据充分利用风电场场地和减小风力发电机组间的相互影响的原则，对适合的几种机型方案进行初步布置，计算各风力发电机组标准状态下的理论年发电量。从建设条件、风机之间的相互影响及发电量等多方面对风力发电机组布置进行方案比较，经方案比选最终确定风力发电机组布置方案。（1）风机间距的优化一般情况下，风电场布置风电机组时，在主导风向上要求机组间隔（行）59倍风轮直径，在垂直于主导风向上要求机组间隔（列）35倍风轮直径。因此，风

6、轮直径是决定风机间距的主要因素之一。可以根据风机的风轮直径确定初步的机位布置，例如以1500kW采用WAsP计算相应理论发电量和尾流系数，以确定其最佳行列距。从表1可以看出：风机的布置、行列距的大小直接影响风机的发电量，一般来说，行列距越大，尾流影响越小，发电量越大；B方案比A方案增加发电量10%。当然行列距的大小也将影响占地的大小、风机布置的多少、线路及道路的长短，具体布置应就风电场的地形条件、风机类型等进行优化布置，实现在有限的范围内取得最大的上网发电量。 表1 某风电场风机间距优化成果表 方案机型行列距 m轮毂高度 m单台净发电量 GWh尾流 %发电量增量 %A1500kW500, 40

7、0653.80011.83100%B1500kW600, 500654.16210.40110%（2）风机布置方案的选择和优化在一定的场址范围内布置机位时，尽量考虑地形、地貌、主导风能等现场因素，并尽量减少尾流影响。如某沿海风场可利用场地总面积12km2，采用WAsP计算软件进行机位发电量估算，当在全部场址范围内布置满风机时，装机规模可达到80MW，但尾流影响较大，平均为12.88，这将降低相同面积的每千瓦发电量，同时影响风力发电机组的寿命，因此需通过机组布置方案的优化减少以上影响。优化后的尾流影响为11.8310.40，平均单机净发电量提高5%10%，同时更合理地利用了土地。在微观选址时很多

8、业主在多装机与提高发电效率方面难以取舍，因此我们首先通过WAsP、WindFarmer、WindPRO、WindSIM等软件优化出几个方案，然后针对优化后的几个方案，进行进一步的优化。由于上述软件采用的风机尾流模型存在一定缺陷，给出的风电场风机成本-效益模型过于简单，且未给出风机尾流影响区域的计算方法以及增量装机效益评价模型等，所以我们有必要进一步细化风机建设成本效益分析。对优化后的几个方案，先进行详细的建设成本计算和效益的计算，再采用国内外常用的方案比较方法，对几个方案进行经济比较。方案经济比较的方法主要分动态分析法、和静态分析法。方案比较以动态分析法为主。动态分析法有差额投资内部收益率法、

9、现值比较法等，现值比较法有净现值法、费用现值比较法等。下面以某风电场为例介绍一下具体比较方法。首先采用WAsP、WindFarmer、WindPRO、WindSIM等软件优化出几个方案。 表2 某风电场各机型发电量优化成果表 方案机型高度 m台数平均单机净发电量 GWh尾流 %A1500kW65403.80011.83B1500kW65334.16210.40在一定的风场范围内，布置最多风机使其发电量最大，这是优化的目标。按上述A方案可布置40台风机，B方案可布置33台风机。可以看出，在一定的范围内风机间距越大，尾流影响越小，发电量越大，B方案比A方案风机减少7台，但平均单机发电量增加10%。

10、但上述两个方案哪一个效益更好，我们采用了方案经济比较的方法，对这两个方案进行动态分析，比较方案的优劣。下面首先通过对两个方案经济寿命期内的投资费用和收益的计算，按行业基准收益率折算成单一的现值率比较方案的优劣。这种方案比较的方法是在同等风险水平下盈利的最大化，即分别计算各方案的净现值进行比较，以净现值大的方案为最优方案。方案A为40台1.5MW风场总投资4.92亿元，建成后每年收益为6410万元。方案B为33台1.5MW风场总投资4.06亿元，建成后每年收益为5820万元。 表3 方案比较原始数据 方案项目0年1年2年3年424年25年A投资（万元）49200收益（万元）64106410641

11、064106410B投资（万元）40600待添加的隐藏文字内容3收益（万元）58205820582058205820现在用净现值法比较两个方案的优劣：目标决策简化为同等风险水平下盈利的最大化，即分别计算各方案的净现值进行比较，以净现值大的方案为优方案。 式中：S年收益 I年全部投资 C年经营费用 I行业基准收益率 (P/F,I,t)第t年的现值系数两方案的净现值计算如下：NPV(10%)A=-49200+6410(1+10%)25-1)/10%(1+10%)25=8983万元NPV(10%)B=-40600+5820(1+10%)25-1)/10%(1+10%)25=12228万元经过比较方案

12、B优于方案A，由此可见，不是风机布置越多，效益越好。风电场内风机位布置考虑的因素风电场的设计过程中，在风资源评估的基础上，通过WAsP、WindFarmer、WindPRO、WindSIM等风资源评估软件，对风电场内的风机排布进行优化，初步确定风电场的风机机位，最终确定机位还需考虑以下多种因素。考虑与居民区的间距要求风力发电是清洁、无污染的可再生能源，其生产过程是利用自然风能转化为机械能，再将机械能转化为电能的过程，不会损害和污染环境。风力发电机组安装在开阔地带，每台风机基础仅占用较小的面积，不会对当地的生态环境有所影响。风电机组在运行过程中产生噪声，风机运行噪音对周围村镇有一定影响。典型风机

13、声强水平值的范围在95105 dB（A），按105 dB（A）声强值计算，距离风机500m处的噪声为37dB（A），小于城市区域环境噪声标准中的三类标准。风电场大都位于山区、戈壁滩、沙漠、草原、海滩和海岛，风机距离村镇较远，因此风力发电机的噪声不会对周围居民产生大的影响。风力发电场运行时会产生一定能量的电磁辐射，但其强度较低，且距离居民区较远，不会对居民身体健康产生危害。通过对已建风电场周围居民的调查，目前运行的风电场对当地无线电、电视等电器设备没有影响，因此风电场不会对当地无线电、电视等产生干扰。综上所述，风力发电机布置在距村庄、居民区500m以上，就不会对周围居民产生大的影响。风机位地形、

14、地貌、地质情况风机位地形、地貌直接影响到每个风机位的投资。如果地形较平坦，地面附着物较少，风机位平整土石方量就较小，附着物的补偿费用也较少，投资省。风机位平整场地费用高低相差20多万元。有的风机位需要伐树，一个机位的伐树费用高达8万元。由于地形、地貌的不同造成每个风机位投资差别较大，在微观选址时，需甄别对待。在风机位布置时，还应考虑避开居民区、军事设施、避开森林等，滩涂上风电场主要考虑避免风机机位布置在渔民的池塘中。地质条件的好坏也是影响每个风机位投资大小关键因素，由于风电场范围较大，动则几十平方公里，整个风电场区域的工程地质条件千差万别，每个机位的工程地质条件差距较大，有的天然地基，有的需做

15、地基处理，同一风场不同机位的地基处理费相差有几倍。经过微观选址调整机位可使地基处理费用降低。风电场内的道路因素在风力发电厂的建设中，风电场内施工检修道路起着举足轻重的作用，虽然道路的投资在整个风电场的总投资中所占的比重并不大，但就每个机位的道路投资有一定的差别。就微观选址而言，道路的投资是影响单个风机经济性的一个因素。道路标准选择、线路设计是否合理直接影响到整个风电场的施工安装。风电场内部道路主要是为风电机组安装施工、风电场内巡视检修。在风电场建设施工安装阶段，道路除应满足施工运输材料、设备的要求外，还应满足安装风机的大型起吊机械和运输风机机舱、风轮叶片、塔筒等的大型运输设备的要求。采用何种运

16、输工具和起吊设备，应根据风机组件的具体外形尺寸和重量确定。风电场内施工检修道路的设计标准可按厂矿道路设计规范中四级厂外道路设计。道路设计的几个主要技术标准应根据风电场的风机类型、吊装设备的选择及动输车辆情况确定。道路的宽度主要由大型吊装设备决定，根据不同风机类型选择适合的大型吊装设备。如1.5MW的风机可选择的履带吊有TEREX-DEMAG CC2000、国产徐工QUY300、美国MANITOWOC曼尼托瓦克型号：4600S4、三一科技SANY型号：SCC2800WE、LIEBHERR 利渤海尔型号：LR1280。每个履带吊的履带外侧宽度是不一样的，LR1280为7.5m、SCC2800WE为

17、7.8m。风电专用履带吊有国产徐工QUY300、三一科技SCC2800WE，其中SCC2800WE履带外侧宽度为7.8m，履带吊全部收回后履带外侧宽度4.8m，是上述所有履带吊中最小的。如采用SCC2800WE道路路面宽度可5m考虑，两边设置0.5m宽路肩，总宽度为6m可满足要求。如采用其它CC2000履带外侧宽度为9.52m，履带收回后履带外侧宽度为8m，道路路面宽度可8m考虑，两边设置0.5m宽路肩，总宽度为9m方可满足要求。可见不同的履带吊需修建不同道路宽度。曲线半径由运输叶片、塔筒的运输车辆决定。不同类型风机叶片、塔筒的长度不同。运输叶片、塔筒的车辆为超长轴特种半挂车，车辆长度有20多

18、米，要求道路的转弯半径较大。如1.5MW的风机叶片长度35m左右，道路最小转弯半径为25m，一般为30m。最大纵坡由运输大件的运输车辆决定，风电场大件除变电站的主变压器外，风力发电机机舱最重，如1.5MW的风机机舱一般在55t左右。运输这样设备的载重车极限爬坡能力：高级路面14%、砂石路面12%。所以道路选线设计时，在地形条件比较好的情况下，平均纵坡宜不大于5.5%，最大纵坡不大于9%，但是在山区地段的话，平均纵坡不宜大于7%，最大纵坡不大于12%。因此，风电场道路在满足上述要求的前提下，尽量降低标准，节约道路成本，以降低风电场的投资。风电场征租地的因素为了提高效率，减小尾流、湍流等因素的影响

19、，风力发电机组之间必须保持足够的距离，因此，风电场的范围一般都比较大，在十几至几十平方公里。在偌大的风电场内，绝大部分土地的利用不受影响，因此，一般风电场采用点征、带状征地。与其他建设用地不同，风电场占用土地的特点是“分散”。除风电场升压站的建设需要大约100m200m地方外，风力发电机组机位用地分散在众多“点”上，修路以及输电线路用地分散在很长的“线”上。虽然风电场建设实际占用土地不多，但是所用土地覆盖的范围很广。风电场的风机位众多，风机的施工、安装及检修范围大，决定了“风电场道路”是风电场建设征地的主要对象。以某风电场为例，“道路”用地占项目总用地面积的七成以上。由于风力发电机组的机舱、叶

20、片、塔筒等都重达几十吨，需要使用特大型载重汽车运输及大型起重机吊装，因而，风电场建设所修的路，都有足够宽的路面和比较坚实的路基。风电场建设周期很短，建成后风电场使用所修道路的几率较低，因此风电场的道路选线时优先考虑与乡村道路及田间道路相结合，这样既可改善当地的运输条件，充分发挥这些道路的作用，为新农村建设助了一臂之力，又可节省征地费用。道路是建设风电场的先决条件，也是风电场建设占用土地的主要因素。因此合理的利用区域内的现有道路，不但可极大的减少道路用地面积的征地，同时对加快风电场建设和降低道路建设的投资起着极为有利的作用。微观选址的优化方法微观选址是进一步确定风力发电机组的布置位置，以便使整个

21、风电场具有更好的经济效益的过程。风电场微观选址是风电场施工图设计阶段的主要工作，它涉及的因素较多，主要有风电场土地的性质、周围村庄和建筑物的分布、当地环境部门的要求等。在充分考虑这些限制因素的情况下，结合风电场风资源分布图进行优化机位，在初步选址之后进行现场勘探定点，并确定最终布局。对每一台机进行机位优化，对影响机位的多种因素加以比较分析，对主要影响机位的因素进行多方案的比较，找出最优方案。在山区风电场的微观选址中，道路条件起到非常重要的作用。山区风电场一般地形较复杂，地势险峻。发电量较高的机位一般处在地势较高的山包上，如果要在此设立风机，就需要修建一条盘山公路以满足施工时塔架、发电机舱、叶片

22、等大件设备的运输要求和大型吊装设备的的通行要求；同时，还要考虑这些大件设备的施工吊装场地及该场地的平整问题等。综上所述，在确定风机机位时还要考虑可施工的条件因素，不可一味求最大发电量，而造成工程造价过高，不经济。在微观选址时经常遇见这样的问题，例如某风场8号风机位，该风机位地处风场的最高点，且该处森林茂密，地形起伏较大如平整吊装场地工程量艰巨，如果该风机位向西平移150m（我定义为8号机位），可减少大量的伐树，道路修建长度减少300m，减少35kV线路长度150m，并且可大大减少风机吊装场地的平整土石量，但该机位的发电量也同时减少，年等效发电小时数由1980小时减少至1895小时。如何判断这两

23、个机位，哪个机位收益更好。首先我们计算出8号机位比8号机位多投资的费用，然后再计算出8号机位比8号机位超出的收益，采用差额投资内部收益率法比较两个机位优劣。差额投资内部收益率是两方案各年净现金流量差额的现值之和等于零的折现率，其表达式为： 式中：FIRR差额投资财务内部收益率； (CICO)2投资大的方案年净现金流量； (CICO)1投资小的方案年净现金流量。进行方案比较时标准如下：当FIRRi（财务基准收益率或要求达到的收益率）时，投资大的方案所耗费的增量投资的内部收益率大于要求的基准值，以投资大的方案为优。反之，则以投资小的方案为优。由于8号机位地处风场的最高点，且该处森林茂密，伐树多投资

24、8万元，地形起伏较大平整吊装场地工程量艰巨多投资25万元，多修建道路长度300m，多征地6亩，道路多投资27万元，35kV线路长度多150m多投资10万元。年等效发电小时数多85小时，每年增加收益6.8万元。 表4 方案比较原始数据 方案项目0年1年2年3年424年25年8号与8的差额多投资（万元）-70多收益（万元）6.86.86.86.86.8 首先设定FIRR =11%，计算FNPV（11%）A=-70+6.8（1+11%）25-1）/11%（1+11%）25=-12.73万元设定FIRR =8%，计算FNPV（8%）A=-70+6.8（1+8%）25-1）/8%（1+8%）25=2.5

25、8万元采用插值法计算项目的差额内部收益率FIRRFIRR=i1+（i2- i1）FNPV1/（|FNPV1|+|FNPV2|）=8%+（11%-8%）2.58/（2.58+|-12.73|）=8.5%FIRR=8.5%ic=10%，（电力行业的基准收益率）因此，投资小的8号风机位方案为最优方案。总结语本文针对风电场微观选址的特点，在现有微观选址优化软件优化结果的基础上，提出了考虑多因素、进一步优化风机位的方法。该方法是对现用微观选址优化软件的有效补充，特别是提出了成本与效益分析方法和增量装机效益评价方法。希望本文对风电场微观选址的优化、风电场风机位的优化有所帮助，从而更高效地利用风能资源，提高风电场的经济性。为更好的降低风电场的建设成本、提高风电场的经济效益作出一点贡献。