海上风电场每100 MW装机容量不同用海面积的分析.pdf
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1、SHANDONG ELECTRIC POWER山东电力技术第50卷(总第310期)2023年第9期DOI:10.20097/ki.issn1007-9904.2023.09.006海上风电场每100 MW装机容量不同用海面积的分析滕丽霞,王宇,孙宇,刘雪(山东电力工程咨询院有限公司,山东济南250013)摘要:随着海上风电的发展,近海资源被大量利用,海上风电场每100 MW装机容量的用海面积决定项目的用海面积。为实现集约用海,须结合海上风电大基地的建设以及风电机组大型化的发展,及时调整海上风电场每100 MW装机容量的用海面积。结合海上风电场自身特点及工程设计经验,研究每100 MW装机容量不
2、同用海面积条件下风电场的尾流情况,通过尾流控制确定每100 MW装机容量的用海面积。结果表明,在大基地建设的条件下,每100 MW装机容量使用16 km2的用海面积可以满足风电机组运行需要。在未来使用大容量机组的条件下,可以适当降低每100 MW装机容量的用海面积。关键词:海上风电场;用海面积;场址形状;风能;尾流中图分类号:TK81文献标识码:A文章编号:1007-9904(2023)09-0042-08Analysis of Different Sea Area for Per 100 MW InstalledCapacity of Offshore Wind FarmTENG Lixia
3、,WANG Yu,SUN Yu,LIU Xue(Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.,Ltd.,Jinan 250013,China)Abstract:With the development of offshore wind power,offshore resources are widely used.And the sea area occupied by per100 MW wind turbines of offshore wind farms determines the projects sea
4、 area.In order to realize intensive sea use,it is necessaryto adjust the sea area occupied by per 100 MW wind turbines of offshore wind farms timely in combination with the construction oflarge offshore wind bases and the development of wind turbines enlargement.Based on the characteristics of offsh
5、ore wind farmsand engineering design experience,the wakeflows of wind farms under the conditions of different occupied sea areawere studied,and the occupied sea area of per 100 MW wind turbines through wake flowcontrolwas determined.The results show that under thecondition of large offshore wind bas
6、e,the occupied sea area by 16 km2per 100 MW wind turbines can meet the needs of windturbine operation.The occupied sea area of per 100 MW wind turbines can be appropriately reduced by using large wind turbine inthe future.Keywords:offshore wind farm;occupied sea area;shape of wind farm;wind energy;w
7、ake flow0引言随着海上风电技术的发展,海上风电机组的单机容量不断增大,2021年我国新增海上风机单机平均功率为5.6 MW。2022年招标的海上风机项目中,有超过85%的海上风电项目机组单机平均功率大于8 MW,平均功率超 8.5 MW。目前全球单机容量最大的风电机组单机容量为16 MW,大型化趋势明显提速。我国海上风电资源开发有较大发展空间,受海上风电并网电价政策影响,多地陆续发布千万千瓦级海上风电基地建设的消息。海上风电项目大基地建设和海上风电机组大型化是必然趋势。在风电场中,来流风速通过处于上游的风电机组后,风速降低、湍流强度增加,形成尾流效应1-4,使下游风电机组发电功率降低,
8、疲劳载荷增加,影响风电机组的运行。随着我国千万千瓦级海上风电基地的建设,海上风电场的开发规模将更大、更集中,风机尾流相互叠加,风速恢复缓慢,尾流损失加重。基金项目:山东电力工程咨询院有限公司科技项目“新型漂浮式风机基础结构研究”(37-K2021-063)。Science and Technology Project of Shandong Electric PowerEngineering Consulting Institute Co.,Ltd.“Research on Foundation ofNew Floating Wind Turbine”(37-K2021-063)。42在风机尾
9、流方面,陈树勇等5研究表明风机完全处于尾流区运行时,功率损失可达 30%40%;崔冬林等6基于实际运行的数据采集与监视控制系统(supervisory control and data acquisition,SCADA)数据提出,缓冲带达到一定的距离会对风速的恢复有明显的作用,缓冲带距离在 23D44D(D为叶轮直径),尾流损失电量降幅在4%27%;温建民等7使用激光雷达对陆上某风场单台风机进行尾流观测,分析不同来流风速下尾流区风速恢复速率。在风电场用海面积方面,胡恒等8分析我国海上风电用海特点及问题,提出合理界定用海面积,提高海域使用效率;张云等9提出应综合考虑各种海上因素的复杂性和多变性
10、以及海域空间资源的高效开发利用,优化海上风电用海项目的规划布局,适当保持海上风电合理增长的区间和弹性。以每100 MW装机容量的用海面积作为变量,研究大基地条件下每100 MW的不同用海面积的风机尾流情况,为海上风电场的前期规划提供了重要的参考依据。1计算尾流模型WAsP软件是目前国内外公认的对于平坦地形较为适应的软件10-14,采用该软件进行计算,该软件采用的尾流模型为典型的Park模型,如图1所示,该模型是根据质量守恒定理进行推导,在风力机下游x位置处尾流速度表达式为15-16u=u01-(1-1-CT)(RR+kx)2(1)式中:u为风电机组下游x处的尾流风速;u0为来流风速;CT为风机
11、的推力系数;R为风机盘面半径;k为尾流扩散系数表示尾流的膨胀速率。图1尾流模型原理Fig.1 Principleof wakeflow model对于一个风电场来说,平均尾流是该风电场所有风机尾流的均值,最大尾流是该风电场所有风机尾流中的最大值。根据设计经验,在计算海上风电机组尾流时,k的取值为0.0417-18。进行尾流计算分析时,仅考虑本风电场风机之间的相互影响。2边界条件2.1每100 MW装机容量的用海面积参考国家海洋局发布的国海规范 2016 6号文关于进一步规范海上风电用海管理的意见,单个海上风电场外缘边线包络海域面积原则上每 100 MW装机容量占用面积控制在16 km2左右19
12、。海上风电项目大基地建设,使得单个海上风电项目的容量增加和风电机组的数量增加,风电场尾流增大,通过风电场的尾流分析探讨在大基地建设的条件下,每100 MW装机容量占用海域面积控制在16 km2是否可以满足风电机组运行。而容量相同的海上风电项目,海上风电机组单机容量增大,可以使得海上风电机组的数量减少,通过风电场的尾流分析,探讨在未来大容量机组的条件下,是否可以降低100 MW装机容量占用海域面积。因而以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2为例,进行风机尾流的分析计算。2.2风电场规模、风速和风机机型进行每100 MW装机容量的用海面积分析计算时,主要
13、考虑风电场规模、风电场形状、风速、风向、风机机型等因素。考虑目前海上单座500 kV换流站最大容量为2 000 MVA,选取风电场容量为2 000 MW进行分析。根据我国沿海地区风能资源分布特点,具备规模化开发的海上风电场风速大多介于 7.09.0 m/s,采用130 m高度风速7.8 m/s进行分析,海上风切变较小,取值为0.08进行分析。目前海上风电场多采用88.5 MW机型,部分厂家推出了10 MW及以上机型,考虑未来风机的发展,选用8.5 MW(WTG1)和13.6 MW(WTG2)的机型进行分析。2.3风向风能分布参考风电场的风向和风能玫瑰图,选择风向和风能玫瑰图较为集中和较为分散两
14、种情况,进行风电场尾流的计算。图2为国内某海上风电场风向和风能较为集中的风向和风能玫瑰图,其中南北向(NNWNNE 和 SSESSW)风能概率为 68.3%。图滕丽霞,等:海上风电场每100 MW装机容量不同用海面积的分析43山东电力技术第50卷(总第310期)2023年第9期3为选择的国内某海上风电场风向和风能较为分散的风向和风能玫瑰图,其中南北向(NNWNNE 和SSESSW)风能频率为39.7%。(a)风向玫瑰图(b)风能玫瑰图图2较为集中的风向和风能玫瑰图Fig.2 Relativelyconcentrated rose diagrams of winddirection and wi
15、nd energy(a)风向玫瑰图(b)风能玫瑰图图3较为分散的风向和风能玫瑰图Fig.3 Relatively scattered rose diagrams of winddirection and wind energy2.4场址形状海上风电场规划须避让保护区、港口、锚地、航道等各类禁止开发区域,场址形状多样,按照最有利和最不利布置风机的两种极端情况,分别考虑垂直主导风向和平行主导风向的矩形场址进行分析计算。风机布置时按照风电机组行间距不小于3倍风轮直径,列间距不小于7倍风轮直径的原则进行风机布置20。按照上述布置原则,将两种风机均匀布置,并由下至上依次排序。选用的风向和风能玫瑰图的主风
16、向为南北风向。在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下进行风尾流影响分析,最有利的风电场场址形状垂直于主风向即东西方向长的矩形,矩形的尺寸分别为100 km3.2 km(场址1)、100 km3.0 km(场址 2)、100 km2.8 km(场址3),如图4所示。最不利的风电场场址形状平行于主风向即南北方向长的矩形,矩形的尺寸分别为10 km32 km(场址4)、10 km30 km(场址5)、10 km28 km(场址6),如图5所示。图4场址1场址3示意图Fig.4 Schematic diagram of site 1 site 3图5
17、场址4场址6示意图Fig.5 Schematic diagramsof site 4 site 6如图6所示,垂直主风向场址为进行风机排布时的最优场址形状,两种机型均布置两排风机,风机间距大,尾流影响小。在进行风电场规划时,一般会按照垂直于主风向来划分场址,但是随着海上风电场的发展和大基地风电场的到来,场址形状多样,风电场规划时,场址形状应尽量垂直于主风向,最不利条件下场址形状可能会平行于主风向。考虑实际情况,即使在最不利条件下,场址布置的风机排数也不宜过多,对于平行风向场址的两种机型分别布置的排数为:WTG1 机型布置 16 排、WTG2 机型布置 12排,如图7所示。风机排数多,排与排之间
18、的尾流影响相互叠加,尾流影响增大。44(a)WTG1风机(b)WTG2风机图6垂直主风向场址风机布置示意图Fig.6 Wind turbines layout diagram in the site ofvertical main wind energy direction(a)WTG1风机(b)WTG2风机图7平行主风向风机布置示意图Fig.7 Wind turbines layout diagram in the site ofparallel main wind energy direction综上所述,以风电场容量2 000 MW、130 m高度风速为7.8 m/s,风切变系数为0.0
19、8为前提,分别考虑风电场形状垂直于主风向和平行于主风向、风向集中和分散,在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下,对WTG1和WTG2机型进行尾流测算。结合目前国内海上风电场经验取值,风电场平均尾流按15%控制,最大尾流按20%控制。3风电场尾流分析3.1垂直主风向-风能方向集中表 1 为在风电场形状垂直主风向且风能方向集中条件下风机尾流测算的结果。WTG1 机型在以每 100 MW 装机容量占用海域面积分别为 16 km2、15 km2、14 km2条件下,风电场平均尾流分 别 为 4.66%、4.84%、4.89%,最 大 尾 流 分 别
20、为4.98%、5.11%、5.21%。WTG2机型在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为 16 km2、15 km2、14 km2条件下,风电场平均尾流分别为 4.22%、4.32%、4.42%,最大尾流分别为4.76%、4.96%、5.14%。由上述结果可知,随着风机单机容量的增加,每排风机的数量减小,风机之间的行间距增大,风电场的平均尾流和最大尾流均减小;在以每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2时,WTG2比WTG1的风电场平均尾流分别减小0.44%、0.52%、0.47%,最大尾流分别减小 0.22%、0.15%、0.07%;随着每 10
21、0 MW 装机容量用海面积的减小,每 100 MW 装机容量占用海域面积分别为 15 km2、14 km2时,WTG1机型的平均尾流比100 MW装机容量 占 用 海 域 面 积 为 16 km2时 分 别 增 大 0.18%、0.23%,最大尾流分别增大0.13%、0.23%;WTG2机型在每100 MW装机容量占用海域面积分别为15 km2、14 km2时的平均尾流比每100 MW装机容量占用海域面积为 16 km2时分别增大 0.10%、0.20%,最大尾流分别增大0.20%、0.38%;风电场垂直于主风向,且风能风向集中,风机的排数少,平均尾流和最大尾流均较小,远小于15%的平均尾流和
22、20%的最大尾流。3.2垂直主风向-风能方向分散表2为在风电场形状垂直主风向且风能方向分散条件下风机尾流测算的结果,机型参数与表1相同。WTG1机型在每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下,风电场平均尾流分别为 7.90%、8.14%、8.17%,最大尾流分别为8.42%、8.67%、8.70%。WTG2机型在每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下,风电场平均尾流分别为6.64%、6.75%、6.89%,最大尾流分别为7.24%、7.32%、7.48%。由上述结果可知,随着风机单机容量的增加,每排风
23、机的数量减小,风机之间的行间距增大,风电场的平均尾流和最大尾流均减小;风机机型由WTG1变为WTG2,在每100 MW装机容量占用海域面积分别为16 km2、15 km2、14 km2条件下,风电场的平均尾流分别减小 1.26%、1.39%、1.28%,最大尾流分别减小1.18%、1.35%、1.22%;随着每100 MW装机容量用海面积的减小,WTG1机型在每100 MW装机容量占用海域面积为 15 km2、14 km2时的平均尾流比在每100 MW装机容量占用海域面积为16 km2时分别增滕丽霞,等:海上风电场每100 MW装机容量不同用海面积的分析45山东电力技术第50卷(总第310期)
24、2023年第9期大0.24%、0.27%,最大尾流分别增大0.25%、0.28%;随着每100 MW装机容量的用海面积的减小,每100 MW装机容量的用海面积分别为15 km2、14 km2时,WTG2机型的平均尾流比每100 MW装机容量的用海面积16 km2时分别增大0.11%、0.25%,最大尾流分别增大0.08%、0.24%;风电场垂直于主风向,虽然风能风向分散,但是由于风机的排数少,平均尾流和最大尾流均较小,均小于15%的平均尾流和20%的最大尾流。表1垂直主风向风能方向集中时风机尾流测算结果Table 1 Calculation results of wind turbines w
25、ake flow when the site is vertical of the main wind energydirection and the main wind energy direction is concentrated参数单机容量/MW叶轮直径/m轮毂高度/m风机台数装机容量/MW轮毂高度风速/(m/s)风机排数每排风机数行间距/m列间距/m每 100 MW 用海面积/(km2/100 MW)平均尾流/%最大尾流/%WTG18.52261302362 0067.8021183.8D113.0D1164.664.9812.1D1154.845.1111.2D1144.895.2
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