金风科技薛浩宁:基于多数据源的风资源模型仿真与订正

能见App 2021年10月20日 3885

2021年10月17日-20日,2021北京国际风能大会暨展览会(CWP 2021)在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一,这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会,再次登陆北京。

本届大会以“碳中和——风电发展的新机遇”为主题,历时四天,包括开幕式、主旨发言、高峰对话、创新剧场以及关于“国际成熟风电市场发展动态及投资机会”“国际新兴风电市场发展动态及投资机会”“风电设备智能运维论坛”“碳达峰碳中和加速能源转型”等不同主题的15个分论坛。能见App全程直播本次大会。

在19日下午召开的风资源精细化评估论坛上,新疆金风科技股份有限公司风资源主任工程师薛浩宁发表了题为《基于多数据源的风资源模型仿真与订正》的主题演讲。

以下为演讲实录:

薛浩宁:大家下午好,我是来自金风科技从薛浩宁,我分享的题目是“基于多数据源的风资源模型仿真与订正”,这个题目属于在役风电场风资源评估范畴,接下来将我们做的相关研究和探索与各位进行分享。

先看第一部分,我们国家针对老旧风电机组的一些政策,首先来看能源局的《风电机组更新、技改、退役管理办法(初稿)》,这一政策涉及三种项目形式,包括更新项目、技改项目和退役项目:更新项目适用运行超过15年的项目,增容更新原则上不超过原项目2倍,电价要延续之前合理利用小时数的政策,即原容量还可以继续按照合理利用小时补贴,超过不能再补贴;技改项目适用达到20年寿命的机组,可以通过一些技改方式让机组延寿运行,政策规定只可以延寿一次,期满后不能再延寿运行;退役即退出运营并进行生态修复。目前这个政策还没有发布,可能会有一些变化。

再来看一下宁夏发改委发布的《关于开展宁夏老旧风电场“以大代小”更新试点的通知》,包含等容和增容更新,要求使用3兆瓦以上的机组,政策中规定等容更新要简化流程,延续电价政策,增容更新参照新建项目的实施流程,还要求要加大配套支持和项目储能一些要求。

老旧风电场的政策发布肯定会推动老旧风电场更新、技改工作的开展。根据统计,现在市场上1.5兆瓦以下的老旧风电场中,20年以上达到28.6万千瓦,15-20年达到75.9万千瓦,10-15年风电场装机822.8万千瓦。

这些风电场主要分布在哪儿?运行10年以上老旧风电场主要集中在三北地区,运行15年以上的老旧风电场也是集中在三北地区,均是风资源较好的区域。

这些老旧风电场运行上大概率会存在一些问题,包括发电能力差、安全可靠性低、经济性差。如果对于这些项目进行更新和技改,风资源评估作为其中不可或缺的一环。延续刚才说的政策命名,更新项目指全部或部分拆除老旧机组,技改指通过一些手段使老旧机组延寿运行。

风资源的重要性主要体现在几个方面包括安全性、经济性和准确性。在役风电场风资源评估属于风资源再评估,会对风资源评估环节提出更高的要求。风资源评估过程中,在役风电场特有的数据包括:scada数据、功率塔数据、产能数据、运行表现等,但是现行的风资源评估标准并没有覆盖到在役风电场评估。再加上数据存在很多问题,包括机舱数据问题,机舱数据风速风向受到干扰,数据缺失,前期测风塔时间久远代表性不足,或是前期有的根本没有测风等问题,我们提出了在此种场景中使用多数据源进行风资源模型仿真和订正,保证在役风资源场评估更加准确。

金风科技这么多年积累了大量的数据能够为在役风电场提供支撑。第一,全国范围的10000多座测风塔数据,能够支撑在役风电场风资源评估。第二,虚拟测风塔数据,能够快速生产近似于测风塔的完整年的测风数据并经过刚才提到的实测测风塔数据的订正;第三,后评估数据,截止现在金风科技积累了300多个项目详细的后评估案例,这些案例的数据已经集成到“风巽”平台,能够随时调用,能够为折减系数、风险把控、准确性提供支撑;第四,机舱数据,金风的数据库中储存了40000多台机组的数据,这些数据形成了独特的气象数据源为风资源评估提供支撑;第五,激光雷达,我们能够使用激光雷达提供短期快速的综合测风方案,降低风险。

前面说到了关于机舱风速风向的问题,接下来看一下机舱风速和风向订正,先看风向订正,这是简单的项目,可以使用相关性订正,可以采用测风塔、中尺度数据,或者采用功率测试塔数据。那么对于地形复杂项目,风向在不同点位很可能出现偏转,这个项目的广东一个项目,可以看到前期测风塔在不同山梁的风向均出现了偏转,针对此类项目可以使用机组间运行特征进行订正。可以看到订正完成后,机组在不同的山梁风向均出现了偏转,能够很好的还原每台风机的风向。

说完风向,来看一下风速修正,相对于风向修正风速的修正比较复杂。这是内蒙的一个案例,距离测风塔比较近的两台机组,同时刻自由发电状态下,两台机组采集风速相差0.56米/秒。刚才的案例测风塔离的比较远,来看一个测风塔离的比较近的新疆项目,离测风塔比较近的6台机组虽然他们的风速相关性都非常高,但是可以看到这6台机组同时刻自由发电状态下采集的风速最大偏差达到了0.24米/秒。

我想说的是,如果我们使用同一个NTF进行机舱风速还原,会引入更大的偏差。那么到底什么因素影响了风速和风向?第一,机组间风速仪多年运行后的性能下降,对于老旧风电场这种情况会更加明显;第二,叶轮转动对于风速仪的影响;第三,风速仪的安装位置不同受到的影响也不同。

刚才讲到两台机组风速差异很大,功率曲线的表现也是对于风速仪采样准确性的一个佐证。两台机组首先经过插补,经过订正后差异从0.51m/s降低到0.14m/s,全场风机订正后也会看到整体的趋势较不订正要平滑很多。

刚才讲到了机舱风速风向的修正,如果我们采用IEC61400-12-1的方法进行全场风机机舱风速风向的订正,在时间、成本、技术上均无法满足要求;基于机组运行特征的方法修正机舱风速风向能够快速还原机舱风速风向为风资源评估提供支撑。

有了机舱风速风向的数据,同时结合测风塔数据、机舱风速风向数据、中尺度数据进行多数据源的仿真测试,找到仿真风速最准确的组合方法。

以下会涉及到一个案例:

地点是在内蒙,地形简单的项目,使用GW77机组,运行将近10年,测风塔有1座。接下来我们以此为案例讲解进行多数据源的风资源模型仿真和订正的过程。

首先来看单独使用7001测风塔进行仿真,考虑尾流后的仿真风速与修正后的机舱风速对比,显示在B区存在明显的高估,通过freemeso中尺度图谱可以看到在B区风资源确实较测风塔附近要低,中尺度数据和仿真结果的差异是一致的。那么在B区加入虚拟测风塔,使用7001和虚拟测风塔作为输入数据进行仿真可以看到,B区高估的情况有所降低,但仍存在一定的差距。在B区加入4B13机组风速风向数据,使用7001测风塔和4B13机组输入作为数据进行仿真可以看到,B区高估的情况基本得到解决,整体的风速差异从0.25m/s降低到0.05m/s,准确的仿真了整场的风速分布。

使用机组数据仿真金风科技风资源团队也进行了多个项目的测试,此项目是一个丘陵案例,一座测风塔位于厂区边缘,只使用测风塔仿真可以发现仿真的发电量与实际的理论发电量存在较大的差异,如果我们使用不同的机组数据组合,放到仿真模型里可以看到与实际理论发电量已经非常接近了,也就是说用合理方法去还原机组风速风向,机组数据是能够作为测风塔来使用的。

除了使用测风塔、机组数据、虚拟测风塔数据进行仿真,我们也尝试了采用中微尺度耦合建模的方式进行风资源仿真。网格大小为3kmX3km,得到网络中心点200m高度风速,带入到WT中进行流场仿真,再结合修正后的机组数据进行相关性拟合,最终得到该区域的风图谱。可以看到中微尺度耦合建模的方式能够很好的仿真场区的风资源情况。此种方式有个优势是没有用测风塔的数据作为参照。

进行一下总结,在役风电场风资源评估项目已经在可再生能源专家委员会进行了立项,并召开了启动会,项目分了4个子课题,包括机组自由流风速还原,机舱数据风参提取,多数据源应用,以及验证项目。

这个项目的目标是依据前期风资源评估标准,综合在役风电场的数据特征,形成在役风电场风资源参数评估的方法,并在实际项目案例中予以验证。

金风科技通过对在役风电场风资源评估的研究和实践,建议合理利用机舱数据,机舱数据能够很好表征全场风资源情况,为仿真的准确性提供参考,应尝试使用中尺度和微尺度耦合建模方式,在无测风塔情况下的风资源模拟仿真;最后,希望通过我们的努力为老旧风电场更新、技改提供更加准确的风资源评估,促进存量风电项目提质增效。

谢谢大家。