在海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)過(guò)程中，機(jī)位排布是實(shí)實(shí)在在影響項(xiàng)目全生命周期收益的重要一環(huán)。合理的機(jī)位排布可以充分利用風(fēng)力資源以獲得最大發(fā)電量，進(jìn)而獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。
然而，主流的基于經(jīng)驗(yàn)公式的傳統(tǒng)手動(dòng)排布方法不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，更致命的是不能精準(zhǔn)描述尾流場(chǎng)分布以及全生命周期風(fēng)向變化這兩大影響發(fā)電量的關(guān)鍵要素，導(dǎo)致100-200小時(shí)左右的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)偏差值，給客戶造成重大損失。
為攻克上述難題，明陽(yáng)智能開(kāi)發(fā)了海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊，以全生命周期機(jī)位優(yōu)化策略為指導(dǎo)，破解造成發(fā)電量損失的難題。基于多重變量嵌套迭代遍歷尋優(yōu)方式、先進(jìn)的尾流計(jì)算模型，該模塊已實(shí)現(xiàn)在1-2個(gè)小時(shí)內(nèi)對(duì)上萬(wàn)種機(jī)位排布方案快速尋優(yōu)，精準(zhǔn)鎖定最優(yōu)機(jī)位排布坐標(biāo)，帶來(lái)全生命周期發(fā)電量提升。
以某30萬(wàn)千瓦海上項(xiàng)目為例，明陽(yáng)智能海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊在原始方案基礎(chǔ)上j發(fā)電量提升了2.1%。按海上0.85元/度電價(jià)計(jì)算，在25年全生命周期內(nèi)，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)可為客戶增加收益3.94億元。
海量方案尋優(yōu)，鎖定最佳機(jī)位排布
圖1 明陽(yáng)智能海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊自動(dòng)排布結(jié)果
明陽(yáng)智能海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊自動(dòng)排布結(jié)果顯示，不同機(jī)位排布方案導(dǎo)致的發(fā)電效率偏差值最高可達(dá)8%左右，如何精準(zhǔn)鎖定發(fā)電效率最高的排布點(diǎn)呢？
在傳統(tǒng)的排布機(jī)位方法中，工程師憑借技術(shù)經(jīng)驗(yàn)在少量機(jī)位排布方案中模糊化優(yōu)選，而機(jī)位排布是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，“經(jīng)驗(yàn)”往往存在偏差，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電量的損失。
明陽(yáng)智能海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊可以實(shí)現(xiàn)在1-2小時(shí)內(nèi)快速完成上萬(wàn)種排布方案的迭代尋優(yōu)計(jì)算，并對(duì)所有排布方案進(jìn)行清晰的量化處理，快速為客戶鎖定發(fā)電量最大的機(jī)位排布坐標(biāo)。
需要強(qiáng)調(diào)的是，海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊之所以能夠精準(zhǔn)鎖定最佳機(jī)位排布坐標(biāo)，原因在于明陽(yáng)智能抓住了“偷走”海上風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電量的兩大關(guān)鍵因素：尾流及風(fēng)向，并基于全生命周期對(duì)其進(jìn)行研究。
基于對(duì)100個(gè)實(shí)際案例的研究，并基于尾流模型、風(fēng)向年際變化等數(shù)據(jù)對(duì)年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)計(jì)算，明陽(yáng)智能風(fēng)資源工程師發(fā)現(xiàn)，尾流和風(fēng)向?qū)Πl(fā)電量的影響堪比陸上機(jī)位排布中的復(fù)雜地形因素影響。因?qū)ξ擦鲌?chǎng)分布、風(fēng)向年度變化的描述與風(fēng)場(chǎng)全生命周期的實(shí)際情況不符，造成的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)偏差最高可超過(guò)200小時(shí)。
通過(guò)海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊精準(zhǔn)描述尾流場(chǎng)分布以及全生命周期風(fēng)向變化是提升海上風(fēng)電項(xiàng)目發(fā)電量的關(guān)鍵。
先進(jìn)的尾流計(jì)算模型
尾流損失的大小直接影響整場(chǎng)的年發(fā)電量值。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，尾流損失降低1%，年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)至少提升30小時(shí)，IRR至少提升0.5%。
目前，機(jī)位排布主要通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算尾流場(chǎng)分布，不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出的尾流場(chǎng)有極大偏差。下圖為Jensen尾流模型與Larsen尾流模型計(jì)算得出的尾流場(chǎng)分布，呈現(xiàn)出了不同的結(jié)果。經(jīng)驗(yàn)公式所描繪的尾流場(chǎng)分布與海上風(fēng)場(chǎng)實(shí)際尾流分布不一致是導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)實(shí)際發(fā)電量與計(jì)算發(fā)電量偏差較大的主要原因。
圖2 Jensen尾流模型與Larsen尾流模型計(jì)算得出的尾流場(chǎng)分布
以先進(jìn)的尾流計(jì)算模型為內(nèi)核的海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊破解了這一難題。明陽(yáng)智能海上技術(shù)專家對(duì)MySE平臺(tái)機(jī)組整機(jī)模型的葉片與轉(zhuǎn)速、三種尾流描述方法（包括經(jīng)驗(yàn)公式法、制動(dòng)盤(pán)模擬法、大渦模擬法等），以及常見(jiàn)的十余個(gè)尾流經(jīng)驗(yàn)公式做了深入研究，并利用CFD仿真中先進(jìn)的大渦模擬技術(shù)計(jì)算真實(shí)尾流場(chǎng)分布，最終擬合推導(dǎo)出了針對(duì)MySE平臺(tái)機(jī)組的尾流計(jì)算模型。
為了驗(yàn)證尾流計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，明陽(yáng)智能采用美國(guó)NREL實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，與經(jīng)驗(yàn)公式及擬合尾流計(jì)算模型做了比對(duì)分析。由圖3可見(jiàn)，采用經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)在超過(guò)4D距離后，計(jì)算偏差逐漸增大，最大可達(dá)20%，而明陽(yáng)智能尾流模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況的偏差值僅為3%左右。尾流計(jì)算模型與MySE平臺(tái)機(jī)組完美匹配，實(shí)現(xiàn)了尾流場(chǎng)分布的準(zhǔn)確描述，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了最高發(fā)電量的精準(zhǔn)計(jì)算。
圖3 不同經(jīng)驗(yàn)公式、CFD仿真的尾流模型與風(fēng)洞試驗(yàn)的測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比圖
全生命周期精準(zhǔn)捕風(fēng)
破解尾流損失難題后，明陽(yáng)智能海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊進(jìn)一步攻克風(fēng)向難題。
受限于風(fēng)場(chǎng)建設(shè)周期制約，大多數(shù)海上風(fēng)電項(xiàng)目機(jī)位排布定點(diǎn)都是依靠測(cè)風(fēng)塔一個(gè)完整年的風(fēng)向數(shù)據(jù)。但實(shí)際情況是，風(fēng)向是存在年際變化的，這意味著今年測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)排布最優(yōu)機(jī)位方案并非適用于明年，更不適用于整個(gè)生命周期。海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊完美地解決了這個(gè)問(wèn)題。
以某海上風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目為例，通過(guò)海上機(jī)位智能優(yōu)化模塊快速完成上萬(wàn)種排布方案的迭代尋優(yōu)計(jì)算，找出發(fā)電量前五的機(jī)位排布方案，結(jié)果如下表。
由下圖可知，在不考慮25年風(fēng)向變化的前提下，方案4的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)最高，其他方案年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)降低0.22%~0.65%。而考慮風(fēng)向的年際變化影響后，方案2的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)最高。從風(fēng)向?qū)δ甑刃M發(fā)小時(shí)數(shù)影響差異上分析，方案2損失的年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)僅為0.24%，而方案4損失高達(dá)2.39%，兩方案差異為2.15%。
圖4 考慮全生命周期風(fēng)向偏轉(zhuǎn)的不同機(jī)位排布方案對(duì)比
由圖中數(shù)據(jù)可見(jiàn)風(fēng)向偏轉(zhuǎn)對(duì)年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)影響之大，方案2最終成為最優(yōu)機(jī)位排布方案。
而如若在這個(gè)海上風(fēng)場(chǎng)僅根據(jù)測(cè)風(fēng)塔某一年的風(fēng)向數(shù)據(jù)做機(jī)位排布，隨著風(fēng)向的年際變化，在風(fēng)場(chǎng)的全生命周期中，年等效滿發(fā)小時(shí)數(shù)減少92.6h，以10萬(wàn)千瓦容量風(fēng)場(chǎng)計(jì)算，客戶將損失至少1.9億元的經(jīng)濟(jì)收益。
“出生決定一生”，明陽(yáng)智能突破了傳統(tǒng)手動(dòng)排布方法的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)限制，以領(lǐng)先的尾流計(jì)算模型、貼合全生命周期的風(fēng)向分析方法，精準(zhǔn)鎖定最優(yōu)機(jī)位排布，規(guī)避25年全生命周期內(nèi)的發(fā)電量損失，為客戶提供最佳風(fēng)場(chǎng)布局選擇，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海上機(jī)位布控的全面引領(lǐng)。
