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蔡繼峰:風資源分析的差異可高達20%以上 功率曲線普遍存在高估
2018-10-18 來源:國際能源網
 2018年10月17日-19日,2018北京國際風能大會暨展覽會(CWP 2018)在北京新國展隆重召開。本次大會由中國可再生能源學會風能專業委員會、中國循環經濟協會可再生能源專業委員會、全球風能理事會、中國農業機械工業協會風力機械分會、國家可再生能源中心和中國電子信息產業發展研究院(賽迪集團)六大權威機構聯合主辦。
 
鑒衡認證中心副總經理兼風能研究院院長蔡繼峰在“復雜地形下的微觀選址技術論壇”中發表主旨演講。
 
他在演講中表示,在發電量評價方面,項目經驗顯示,風資源分析的差異可高達20%以上,功率曲線普遍存在高估,可達10%以上。對于功率曲線的評價更多的是關注它的選擇方式以及為什么這么選擇,它在選擇的時候是不是進行了驗證,這對于安全性來說尤其重要。
 
隨著風場環境的復雜化、風場設計的精細化給大家帶來了更多的挑戰,評價要關注每個部件變更部分的影響、復雜環境條件、怎么來校核安全性以及定制化的解決方案有沒有帶來技術風險等這些角度。
 
 
以下為發言實錄:
 
蔡繼峰:謝謝主持人,各位專家,同仁大家上午好,其實隨著風電技術的來臨,四位來賓提到了風場的方案,技術是否可行,而且達到預期,我今天的主題是圍繞這個進行評價,看看是否滿足我們的預期,回到我的主題。
 
其實風場優化、風場設計圍繞著兩個點,一個是發電量,第二個是安全性,其實我們希望的是在盡可能小的投入情況下有更多的發電量,那勢必會對這個安全性帶來隱患,這其實是一個迭代的過程,所以發電量和這個反復迭代,背后的指標就是度電成本,所以我們的評價思路也是從這兩個角度出發,看發電量的設計是否科學合理,安全性有沒有得到保證。
 
一、發電量
 
先看一下發電量相關的影響因素有三方面,風資源,功率曲線和折減系數。
 
風資源關注的是兩點,一個是數據的采集和處理的過程,第二是我做流場仿真和結果輸出的控制。
 
對功率曲線來說,我們業內有可能會提供一條仿真的功率曲線,又或者說是測試有這個曲線。
 
折減從折減的分類和關鍵影響因素來考慮,簡單來看一下。
 
測風點位的選擇是否涉及微觀地形的影響,我們重點要關注這個評價它有沒有受到影響。第二是測風塔數目是否足夠,因為每一個測風塔在復雜地形下數量是有限的,有沒有超過這個范圍,左邊這幅圖有一個地形,這個測風塔由于其中5381和5391兩個測風塔離得有點遠,所以采用這個數據有點不合適,所以是中間這個測風塔。第三個測風時段,有沒有代表性地這個比較好理解,除了測風塔的位置選擇之外,還有測風塔的儀器也是一個核心,這個如果不準的話,會把整個所有的誤差傳遞到每個環節,這個儀器通常情況下會做標點,我們看看有沒有標點,但是有些時候我們經?;岱⑾忠桓霾夥縊贍芤荒暌隕?,兩年或者三年,其實一個標定可能有效期一年。這個測風儀器在拆除的時候有沒有做一個后標定,這也是一個不確定度。
 
第二是有沒有安裝手冊,看看安裝的過程合不合理,還有如果是一些我輔助的是一些遙感設備,像現在這種時候激光雷達會受到一些氣流傾角的干擾,風向變化的干擾,這方面有沒有做修訂,我們從這方面來考慮是不是做到這一點。第二方面是數據的加工,加工過程我們常規的風資源垂直外推,長期訂正,還有數據篩選,數據插補,對于數據篩選,大家會把冰凍數據,傳感器故障,或者障礙物影響區域的數據做提出,但是這里面要注意我用什么來識別的,我識別完之后如何來進行篩選,這是我們評價的時候關注的,考慮的時候有沒有說,還有數據插補的相關性,不要把相關性作為插補,這時候不插補比插補更好,對于垂直外推的話,這里提一下目標高度,因為這個到了150米以上,到了(英文)層以后,這個指示率不是很適用,我們依然想做外推的話,可能常規層面采用一些激光雷達的輔助手段,來看一下更高層的分切片的情況是否滿足一定條件,所以說如果有比較高的測風的話,需要補充這么一個判斷。
 
再就是長期訂正,長期訂正和數據插補比較類似,看它的相關性,相關性好做這個有意義一些。再看第二個流場仿真,要看計算誤差的方法,三個方面。第一個方面使用計算的方法,計算的理論是否合適,像前期的WASP和CFD方法,左下角這個方法是葡萄牙做的所有復雜地形情況下同時用WASP和CFD比對,淺灰色的是CFD的方法,深灰色的是WASP的方法,可以看出來WASP是高于CFD的誤差,這個時候一定要保證區域內沒有小尺度的氣侯現象來影響這個結果,對于邊界條件來說,也分地形復雜的程度,對于這個有沒有做一些邊化處理,這個對流場有沒有影響,大氣穩定度,在選擇大氣穩定度的時候,是不是有一些遙感設備來做探測印證這個方法,我們有沒有做過一個網格精細度進行加密,計算結果發現它沒有差異的時候,才認為這個足夠密了,大小也足夠合適了,或者多塔互推來進行驗證,所以我們看這些工作在設計方案里面有沒有做了。
 
在這個過程中其實我們大概也做了56個項目,這是56個項目誤差的一些結果,可以看到這是一幅誤差的圖,橫坐標是誤差的差異,縱坐標是它的樣本的個數,可以發現大多數結果在50%左右的偏差范圍之內,可以看到幾個樣本差異會大到15%,甚至20%以上,我們究其主要原因,其實主要有這么幾個方面,有些是在測風塔選取不當,有些代表篩選原則不統一,然后水平外推的時候,測風塔的點位和時間位置存在偏差,尤其是對這個海拔高差比較大的區域有一定的偏差之后,它的風資源影響會比較大?;褂斜熱繢販縊偈侵鵡晗陸檔?,這時候我還選擇了一個比較長的二十年作為訂正,那它潛在是高估的,還有一些相關性比較差的情況下做修訂,以及這個地形粗糙度處理的不合適,這都會帶來影響。
 
分享兩個典型案例,這個案例是有五個測風塔的項目,但是有個廠商1號測風塔,2號和3號測風塔完整度比較低,不到70%,但是有個廠商把1、2、3號測風塔做處理了,以它得到的結果和我們的結果相差了15%,16%,別的廠商沒有這個問題,基本上在2%,3%,沒有問題。這個項目它把水平分辨率取的比較大,然后又做了頻化處理,最終平均風速大了0.5米,這個0.5米對應的發電量差異達到了27%,這是非??膳碌?。
 
這是風資源方面的評估方法,接下來看一下頻率曲線,對于頻率曲線來說,大家可能會說如果沒有測試的,那么我就做一條計算的結果,如果有測試的我們會想用盡可能利用測試的,但其實并不一定合適,我現在介紹一下測試功率曲線是什么情況,測試功率曲線現在形成了一個要求,它僅反應在測試這個特定的環境下面,我的技術處理條件,但是測試過程還會受到起伏的地形,障礙物,臨近基礎的這些影響,其實測試有它本身的問題,第一個問題是測試功率曲線不確定度,這是一個典型的測試功率曲線的圖,這里面寬的區域表示說這個地方有一定的不確定度,在這個范圍之內波動。而且可以發現在這個功率爬升的階段,它的不確定度都相對比較大,這個剛好是我們關心的角度,這個不確定度會影響到后續的功率測算。右邊是不確定來源,有測功率,測風速,測溫度,測濕度等一系列的影響,除此之外在不同條件下它測的功率曲線還是不一樣的,我舉了兩個例子,第一個是場流度,不同場流度下的結果,下面是分切面,如果把它做成功率曲線,第三幅圖可以看一下藍線是分界線比較小的圖,紅線是分界線比較大的圖,這個給分開了,至少能帶來10%以上發電量的影響。那么對這個測試功率曲線作為一個概述,你會發現這個測試本身有不確定度,那么為了降低不確定度,我一定會盡可能的選擇那些平臺類型來做測試,但是又有一個問題,它本身僅代表平臺地形,所以它適用的環境也是平坦的風場的環境是比較適用的,所以我們評價的時候更關注有沒有選擇一個合適的,如果選擇了測試功率曲線,那么它是否測試條件和你選擇的風場是否相近,所以肯定會帶來一個問題,現在這種復雜的風場肯定滿足不了,那怎么辦呢?這時候我們不得不采用仿真的方法,其實仿真的方法其實也不是風電特有的,其實很多學科研究的時候,方針它都是作為一個橋梁,在一個有限的條件下,可行的條件下先和試驗結果進行比對,在這個邊界條件下進行驗證,完了之后再推到試驗不可測的一些尺度更大,或者尺度更小的環境下,所以我們這個也是思路,所以有動態功率曲線獲取,仿真模型建立,模型驗證進行載荷測試,功率曲線測試,和部件試驗進行驗證,完成之后我們可以用動態計算的方式來真實的還原風場,把這個風場特定的環境放進去,來還原這個風場的工業曲線,是這么做的。這是剛才提到的幾十個案例中的工業曲線選取的情況,在這個情況下我們也發現不同的廠商,它的結果差異不一樣,有些廠商和我們負荷結果可能只差了2%,3%,有些差了10%,這樣一來大家選取的不一樣,那些相對保守的變得不平衡了,不過可以發現一個現象,雖然大家有保守和不保守,但是所有的結果都是偏高的。所以如果拿這個數據驅做一個項目核算的話,其實投資有潛在的風險。
 
第三部分是折減,折減更多從分類來說變得更為合理一些,因為有些折減跟這個技術沒有關系,有些折減是跟技術相關的,要把它拆分開來,另外一類如果用到了更合適的功率曲線的計算方法,它模型得到了有效驗證,那么像這種空氣密度修訂,控制這個影響,保證率這些折減也就不太需要了。好,以上說的是發電量的一些評價角度,接下來看一下安全性的時候應該怎么做,其實機組的安全性可以從兩個角度來說,因為我們有個形式認證,其實形式認證保證了這個安全性,另外一個對測定的廠址,其實肯定跟形式認證設計條件是不同的,從大部件配置,先看形式認證,這是一個形式認證的主要工作,有設計評估,制造評估和形式試驗,設計評估是從理論的角度來評估設計的合理性,制造評估是看它是否能夠按照預期進行投產,形式試驗是通過各種各樣的樣機試驗來確保之前所有的理論是正確有效的,可以看出在這種情況下它只對特定的機型在設計條件下的安全性,那么我們看真正的廠址,其實選擇越來越多投標的方案為了適應風場的需求,它的這個部件可能會有一定的變更,而且為了提供有更多的供應商,但是這種部件變更可以分為兩大類。
 
一類是重大部件變更,這種會直接影響整體的變更,這種整體的變更需要考慮它對整機所有安全性的影響,做整體的分析,另外一個部件可能是說它不影響整體,但影響自己,比如說像發電機變流器,一些電器部件,它本身對別的沒有什么影響,但是要看自身的適應性。這里提一下,我們現在可能比較熱的柔塔,有些機組投標的時候卻采用了140米這么高的一個塔架,其實柔塔相對于剛塔有個本質的區別,這個會有焦點,也就是說它如果不做特殊處理的話,是會共振的,一定要有一些策略,所以說這個柔塔機組其實和剛塔機組哪怕是一模一樣的,并不是一個機組,所以在這種差異的時候一定要額外注意。完成了這個配置性的一致性評價之后,就看這個環境條件的適應性,因為之前提到了我設計有設計條件,但實際條件肯定是不同,如果能夠完全被設計條件涵蓋,那么這個也結束了,但事實上有些條件是會超出的,那這時候肯定要輔助載荷分析,強度分析以及這個特殊環境的分析,咱們來看一下。
 
其實現在尤其低風速風場越來越多,這個復雜地形下它其實每個機位都不一樣,而且會發現這個機位,這個指數超標了,那個機位另外一個指數超標了,我甚至找不到哪個機組是惡劣的情況,這個圖的話我們初步選擇F12,F9是最惡劣的機組,但是我們并不知道是哪個,我們雖然超標了,但是我畢竟有些參數沒有超標,那這時候我的載荷到底會不會超標呢?其實也不好判斷,所以說它這個設計方案里面如何來對安全性負荷做的,重點關注,按我們現在的經驗來看,其實很多方案中對這一塊的負荷是比較輕描淡寫的吧,所以說需要重點關注。
 
第二塊是現在外部的其他環境條件也變復雜了,低溫,高海拔這種環境,甚至有些區域,我們是需要重點關注基礎載荷的,其實常規的設計對地震來說的話,能抗七級地震,如果一個風場需要抗震力度是八級的話,要重點關注了,看看這個基礎設施行不行,如果說臺風特別大,平均風速一般,這種情況下可能會引入一些臺風抗臺的策略,或者說加入一些電源讓在臺風的時候不至于失電,這個工況不會變得那么惡劣,這樣子的話我們要評估一下是否可行。除此之外,為了更好的經濟性吧,現在的這個風場都會積極的把我們產能發揮出來,會有各種各樣的方案,或者說降載的方案來降成本,比如說激光雷達現在比較流行的激光雷達測風,通過一些技術來降載,在葉片上加一些更好的啟動裝置,夜間物流發生器,或者說進行一些控制的優化,以及一些廠群的控制,啟動控制,尾流控制,以及這個管理,所有的這些都確實給了一個非常好的方案,但回到開頭說的,它到底是不是可行的,其實對于這個技術做一些技術評定,
 
這個方案可以從三個角度來看,第一個評價這套方案原理和可行性,原理是不是可行,比如說剛才提到的加了這個風險之后,流場的特性得到了改善,從這個上面來說確實是可行的,第二個是效果評價,這個加了之后到底有什么樣的效果,我們可以分為定性和定量,有些作為一些定量的分析,有些對它做量化,究竟提高了1%,還是2%,有些失效評估風險,每一項新技術的引入會有風險,有可能會失效,所以需要進行這個失效評估風險,失效之后的一個測試。
 
好,最后做一個總結,其實我們從項目經驗中也可以發揮,在發電量評價方面,項目經驗顯示,風資源分析的差異可高達20%以上,功率曲線普遍存在高估,可達10%以上。所以我們從這個角度進行評價,而對于功率曲線的評價更多的是關注它的選擇方式以及為什么這么選擇,它在這個選擇的時候是不是進行了驗證,對于安全性來說尤其值得重視,隨著這個風場環境的復雜,風場設計的精細化,給大家帶來了更多的挑戰,要從這個部件變更,每個變更部分的影響,復雜環境條件,它到底怎么來校核安全性來關注,定制化的解決方案有沒有帶來技術風險,這些角度來進行評價。好,我的演講就這些,謝謝大家。
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