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蔡继峰:风资源分析的差异可高达20%以上 功率曲线普遍存在高估
2018-10-18 来源:国际能源网
 2018年10月17日-19日,2018北京国际风能大会暨展览会(CWP 2018)在北京新国展隆重召开。本次大会由中国可再生能源学会风能专业委员会、中国循环经济协会可再生能源专业委员会、全球风能理事会、中国农业机械工业协会风力机械分会、国家可再生能源中心和中国电子信息产业发展研究院(赛迪集团)六大权威机构联合主办。
 
鉴衡认证中心副总经理兼风能研究院院长蔡继峰在“复杂地形下的微观选址技术论坛”中发表主旨演讲。
 
他在演讲中表示,在发电量评价方面,项目经验显示,风资源分析的差异可高达20%以上,功率曲线普遍存在高估,可达10%以上。对于功率曲线的评价更多的是关注它的选择方式以及为什么这么选择,它在选择的时候是不是进行了验证,这对于安全性来说尤其重要。
 
随着风场环境的复杂化、风场设计的精细化给大家带来了更多的挑战,评价要关注每个部件变更部分的影响、复杂环境条件、怎么来校核安全性以及定制化的解决方案有没有带来技术风险等这些角度。
 
 
以下为发言实录:
 
蔡继峰:谢谢主持人,各位专家,同仁大家上午好,其实随着风电技术的来临,四位来宾提到了风场的方案,技术是否可行,而且达到预期,我今天的主题是围绕这个进行评价,看看是否满足我们的预期,回到我的主题。
 
其实风场优化、风场设计围绕着两个点,一个是发电量,第二个是安全性,其实我们希望的是在尽可能小的投入情况下有更多的发电量,那势必会对这个安全性带来隐患,这其实是一个迭代的过程,所以发电量和这个反复迭代,背后的指标就是度电成本,所以我们的评价思路也是从这两个角度出发,看发电量的设计是否科学合理,安全性有没有得到保证。
 
一、发电量
 
先看一下发电量相关的影响因素有三方面,风资源,功率曲线和折减系数。
 
风资源关注的是两点,一个是数据的采集和处理的过程,第二是我做流场仿真和结果输出的控制。
 
对功率曲线来说,我们业内有可能会提供一条仿真的功率曲线,又或者说是测试有这个曲线。
 
折减从折减的分类和关键影响因素来考虑,简单来看一下。
 
测风点位的选择是否涉及微观地形的影响,我们重点要关注这个评价它有没有受到影响。第二是测风塔数目是否足够,因为每一个测风塔在复杂地形下数量是有限的,有没有超过这个范围,左边这幅图有一个地形,这个测风塔由于其中5381和5391两个测风塔离得有点远,所以采用这个数据有点不合适,所以是中间这个测风塔。第三个测风时段,有没有代表性地这个比较好理解,除了测风塔的位置选择之外,还有测风塔的仪器也是一个核心,这个如果不准的话,会把整个所有的误差传递到每个环节,这个仪器通常情况下会做标点,我们看看有没有标点,但是有些时候我们经常会发现一个测风塔可能一年以上,两年或者三年,其实一个标定可能有效期一年。这个测风仪器在拆除的时候有没有做一个后标定,这也是一个不确定度。
 
第二是有没有安装手册,看看安装的过程合不合理,还有如果是一些我辅助的是一些遥感设备,像现在这种时候激光雷达会受到一些气流倾角的干扰,风向变化的干扰,这方面有没有做修订,我们从这方面来考虑是不是做到这一点。第二方面是数据的加工,加工过程我们常规的风资源垂直外推,长期订正,还有数据筛选,数据插补,对于数据筛选,大家会把冰冻数据,传感器故障,或者障碍物影响区域的数据做提出,但是这里面要注意我用什么来识别的,我识别完之后如何来进行筛选,这是我们评价的时候关注的,考虑的时候有没有说,还有数据插补的相关性,不要把相关性作为插补,这时候不插补比插补更好,对于垂直外推的话,这里提一下目标高度,因为这个到了150米以上,到了(英文)层以后,这个指示率不是很适用,我们依然想做外推的话,可能常规层面采用一些激光雷达的辅助手段,来看一下更高层的分切片的情况是否满足一定条件,所以说如果有比较高的测风的话,需要补充这么一个判断。
 
再就是长期订正,长期订正和数据插补比较类似,看它的相关性,相关性好做这个有意义一些。再看第二个流场仿真,要看计算误差的方法,三个方面。第一个方面使用计算的方法,计算的理论是否合适,像前期的WASP和CFD方法,左下角这个方法是葡萄牙做的所有复杂地形情况下同时用WASP和CFD比对,浅灰色的是CFD的方法,深灰色的是WASP的方法,可以看出来WASP是高于CFD的误差,这个时候一定要保证区域内没有小尺度的气侯现象来影响这个结果,对于边界条件来说,也分地形复杂的程度,对于这个有没有做一些边化处理,这个对流场有没有影响,大气稳定度,在选择大气稳定度的时候,是不是有一些遥感设备来做探测印证这个方法,我们有没有做过一个网格精细度进行加密,计算结果发现它没有差异的时候,才认为这个足够密了,大小也足够合适了,或者多塔互推来进行验证,所以我们看这些工作在设计方案里面有没有做了。
 
在这个过程中其实我们大概也做了56个项目,这是56个项目误差的一些结果,可以看到这是一幅误差的图,横坐标是误差的差异,纵坐标是它的样本的个数,可以发现大多数结果在50%左右的偏差范围之内,可以看到几个样本差异会大到15%,甚至20%以上,我们究其主要原因,其实主要有这么几个方面,有些是在测风塔选取不当,有些代表筛选原则不统一,然后水平外推的时候,测风塔的点位和时间位置存在偏差,尤其是对这个海拔高差比较大的区域有一定的偏差之后,它的风资源影响会比较大。还有比如历史风速是逐年下降的,这时候我还选择了一个比较长的二十年作为订正,那它潜在是高估的,还有一些相关性比较差的情况下做修订,以及这个地形粗糙度处理的不合适,这都会带来影响。
 
分享两个典型案例,这个案例是有五个测风塔的项目,但是有个厂商1号测风塔,2号和3号测风塔完整度比较低,不到70%,但是有个厂商把1、2、3号测风塔做处理了,以它得到的结果和我们的结果相差了15%,16%,别的厂商没有这个问题,基本上在2%,3%,没有问题。这个项目它把水平分辨率取的比较大,然后又做了频化处理,最终平均风速大了0.5米,这个0.5米对应的发电量差异达到了27%,这是非常可怕的。
 
这是风资源方面的评估方法,接下来看一下频率曲线,对于频率曲线来说,大家可能会说如果没有测试的,那么我就做一条计算的结果,如果有测试的我们会想用尽可能利用测试的,但其实并不一定合适,我现在介绍一下测试功率曲线是什么情况,测试功率曲线现在形成了一个要求,它仅反应在测试这个特定的环境下面,我的技术处理条件,但是测试过程还会受到起伏的地形,障碍物,临近基础的这些影响,其实测试有它本身的问题,第一个问题是测试功率曲线不确定度,这是一个典型的测试功率曲线的图,这里面宽的区域表示说这个地方有一定的不确定度,在这个范围之内波动。而且可以发现在这个功率爬升的阶段,它的不确定度都相对比较大,这个刚好是我们关心的角度,这个不确定度会影响到后续的功率测算。右边是不确定来源,有测功率,测风速,测温度,测湿度等一系列的影响,除此之外在不同条件下它测的功率曲线还是不一样的,我举了两个例子,第一个是场流度,不同场流度下的结果,下面是分切面,如果把它做成功率曲线,第三幅图可以看一下蓝线是分界线比较小的图,红线是分界线比较大的图,这个给分开了,至少能带来10%以上发电量的影响。那么对这个测试功率曲线作为一个概述,你会发现这个测试本身有不确定度,那么为了降低不确定度,我一定会尽可能的选择那些平台类型来做测试,但是又有一个问题,它本身仅代表平台地形,所以它适用的环境也是平坦的风场的环境是比较适用的,所以我们评价的时候更关注有没有选择一个合适的,如果选择了测试功率曲线,那么它是否测试条件和你选择的风场是否相近,所以肯定会带来一个问题,现在这种复杂的风场肯定满足不了,那怎么办呢?这时候我们不得不采用仿真的方法,其实仿真的方法其实也不是风电特有的,其实很多学科研究的时候,方针它都是作为一个桥梁,在一个有限的条件下,可行的条件下先和试验结果进行比对,在这个边界条件下进行验证,完了之后再推到试验不可测的一些尺度更大,或者尺度更小的环境下,所以我们这个也是思路,所以有动态功率曲线获取,仿真模型建立,模型验证进行载荷测试,功率曲线测试,和部件试验进行验证,完成之后我们可以用动态计算的方式来真实的还原风场,把这个风场特定的环境放进去,来还原这个风场的工业曲线,是这么做的。这是刚才提到的几十个案例中的工业曲线选取的情况,在这个情况下我们也发现不同的厂商,它的结果差异不一样,有些厂商和我们负荷结果可能只差了2%,3%,有些差了10%,这样一来大家选取的不一样,那些相对保守的变得不平衡了,不过可以发现一个现象,虽然大家有保守和不保守,但是所有的结果都是偏高的。所以如果拿这个数据驱做一个项目核算的话,其实投资有潜在的风险。
 
第三部分是折减,折减更多从分类来说变得更为合理一些,因为有些折减跟这个技术没有关系,有些折减是跟技术相关的,要把它拆分开来,另外一类如果用到了更合适的功率曲线的计算方法,它模型得到了有效验证,那么像这种空气密度修订,控制这个影响,保证率这些折减也就不太需要了。好,以上说的是发电量的一些评价角度,接下来看一下安全性的时候应该怎么做,其实机组的安全性可以从两个角度来说,因为我们有个形式认证,其实形式认证保证了这个安全性,另外一个对测定的厂址,其实肯定跟形式认证设计条件是不同的,从大部件配置,先看形式认证,这是一个形式认证的主要工作,有设计评估,制造评估和形式试验,设计评估是从理论的角度来评估设计的合理性,制造评估是看它是否能够按照预期进行投产,形式试验是通过各种各样的样机试验来确保之前所有的理论是正确有效的,可以看出在这种情况下它只对特定的机型在设计条件下的安全性,那么我们看真正的厂址,其实选择越来越多投标的方案为了适应风场的需求,它的这个部件可能会有一定的变更,而且为了提供有更多的供应商,但是这种部件变更可以分为两大类。
 
一类是重大部件变更,这种会直接影响整体的变更,这种整体的变更需要考虑它对整机所有安全性的影响,做整体的分析,另外一个部件可能是说它不影响整体,但影响自己,比如说像发电机变流器,一些电器部件,它本身对别的没有什么影响,但是要看自身的适应性。这里提一下,我们现在可能比较热的柔塔,有些机组投标的时候却采用了140米这么高的一个塔架,其实柔塔相对于刚塔有个本质的区别,这个会有焦点,也就是说它如果不做特殊处理的话,是会共振的,一定要有一些策略,所以说这个柔塔机组其实和刚塔机组哪怕是一模一样的,并不是一个机组,所以在这种差异的时候一定要额外注意。完成了这个配置性的一致性评价之后,就看这个环境条件的适应性,因为之前提到了我设计有设计条件,但实际条件肯定是不同,如果能够完全被设计条件涵盖,那么这个也结束了,但事实上有些条件是会超出的,那这时候肯定要辅助载荷分析,强度分析以及这个特殊环境的分析,咱们来看一下。
 
其实现在尤其低风速风场越来越多,这个复杂地形下它其实每个机位都不一样,而且会发现这个机位,这个指数超标了,那个机位另外一个指数超标了,我甚至找不到哪个机组是恶劣的情况,这个图的话我们初步选择F12,F9是最恶劣的机组,但是我们并不知道是哪个,我们虽然超标了,但是我毕竟有些参数没有超标,那这时候我的载荷到底会不会超标呢?其实也不好判断,所以说它这个设计方案里面如何来对安全性负荷做的,重点关注,按我们现在的经验来看,其实很多方案中对这一块的负荷是比较轻描淡写的吧,所以说需要重点关注。
 
第二块是现在外部的其他环境条件也变复杂了,低温,高海拔这种环境,甚至有些区域,我们是需要重点关注基础载荷的,其实常规的设计对地震来说的话,能抗七级地震,如果一个风场需要抗震力度是八级的话,要重点关注了,看看这个基础设施行不行,如果说台风特别大,平均风速一般,这种情况下可能会引入一些台风抗台的策略,或者说加入一些电源让在台风的时候不至于失电,这个工况不会变得那么恶劣,这样子的话我们要评估一下是否可行。除此之外,为了更好的经济性吧,现在的这个风场都会积极的把我们产能发挥出来,会有各种各样的方案,或者说降载的方案来降成本,比如说激光雷达现在比较流行的激光雷达测风,通过一些技术来降载,在叶片上加一些更好的启动装置,夜间物流发生器,或者说进行一些控制的优化,以及一些厂群的控制,启动控制,尾流控制,以及这个管理,所有的这些都确实给了一个非常好的方案,但回到开头说的,它到底是不是可行的,其实对于这个技术做一些技术评定,
 
这个方案可以从三个角度来看,第一个评价这套方案原理和可行性,原理是不是可行,比如说刚才提到的加了这个风险之后,流场的特性得到了改善,从这个上面来说确实是可行的,第二个是效果评价,这个加了之后到底有什么样的效果,我们可以分为定性和定量,有些作为一些定量的分析,有些对它做量化,究竟提高了1%,还是2%,有些失效评估风险,每一项新技术的引入会有风险,有可能会失效,所以需要进行这个失效评估风险,失效之后的一个测试。
 
好,最后做一个总结,其实我们从项目经验中也可以发挥,在发电量评价方面,项目经验显示,风资源分析的差异可高达20%以上,功率曲线普遍存在高估,可达10%以上。所以我们从这个角度进行评价,而对于功率曲线的评价更多的是关注它的选择方式以及为什么这么选择,它在这个选择的时候是不是进行了验证,对于安全性来说尤其值得重视,随着这个风场环境的复杂,风场设计的精细化,给大家带来了更多的挑战,要从这个部件变更,每个变更部分的影响,复杂环境条件,它到底怎么来校核安全性来关注,定制化的解决方案有没有带来技术风险,这些角度来进行评价。好,我的演讲就这些,谢谢大家。
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