复杂地形风电场一体化优化设计研究

复杂地形风电场一体化优化设计研究

王永军

特变电工新疆新能源股份有限公司 新疆乌鲁木齐 832011

摘要：针对现阶段复杂地形风电场微观选址以及风力机布置等的密切关系，以风力机布置更加合理、上网电量更多、投资更加节省为目标，简要分析影响复杂地形风电场设计的主要因素，建立微观选址、集电线路、检修道路设计等一体化的优化问题数学模型，依托风电场区域内已有的1a测风资料，运用遗传算法进行微观选址的优化，在风力机机位优化的基础上进一步利用单源最短路径算法、最小生成树算法等优化算法对集电线路和检修道路进行优化。

关键词：风电场；微观选址；集电线路；检修道路；智能优化

1复杂地形风电场设计考虑因素

1.1微观选址设计考虑因素

①风资源分布

风切变系数与地面粗糙度变化规律、威布尔分布参数随高度变化规律、风资源计算模型等风资源分布的理论，为复杂地形风资源计算及分布研究提供了理论基础及工程应用指导。目前常用的风资源评估方法主要是基于数值模拟的评估方法，把测风塔固定高度处风资源数据、地形图及其他资料数据导入软件进行计算，从而推算风力机轮毂高度处风资源分布情况。该方法由于在前期数据的处理中存在误差，因此风资源分布计算也存在一定误差。

②尾流模型

在风电场中，由于尾流的影响，坐落在下风向的风电机组的风速将低于坐落在上风向的风电机组的风速。尾流模型、尾流模型、尾流模型和尾流模型均较好地模拟了平坦地形的尾流情况。模型是针对各台风力机的位置高低不同而建立的，能较好地近似模拟有损耗的非均匀风速场。由于机组间尾流效应的影响，根据某一风向上游风力机对下游风力机的遮挡及遮挡面积、2台风电机组的距离与风轮半径的比值，及各台风力机高程参数，可求得下游风力机风速所受到的尾流影响。进而计算出较理想情况下，尾流效应对风力机输出功率的影响。

1.2集电线路设计考虑因素

①升压站的站址位置

升压站的站址位置，直接影响到整个集电线路的走向及其布置，因此在风电场经过宏观选址后，应结合选址报告和相关风电机组的布置方案以及当地政府部门的土地规划，拟定升压站的站址位置。

②集电线路路径

选择集电线路路径应认真对风电场的整个布局进行研究，反复勘测，本着线路安全可靠、投资经济合理，避让建筑物等，综合考虑施工、运行、维护、环保等原则，确定可行性路径方案。尽量减少主干线和分支线的回路数。

③导线截面的选择

导线的费用投资约占整个工程投资成本的10%，因此在技术成熟的条件下对同一回路，逐段不同容量采用经济的、不同截面的导线组合很有必要。一般在整个工程中选用最多3种型号的导线为宜，过多的导线型号会增加工程的施工难度，而且也会对后期线路的运行维护带来不便。

1.3检修道路设计考虑因素

①特殊使用性

风电场内道路同普通公路及市内道路最大区别在于其特殊的使用性能。风电场内道路是为满足风电场使用要求而建造的，须保证其可承担风电场建造过程及运营过程多方面要求。山地风电场拟建的风力机分散于各山脊上，通常工程所在场区地形构造复杂，山脊徒峭，场内道路需要新建。对于风力机设备运输来说，虽然对运输过程技术要求高，但场内道路前期的选线工作才是重点。

②避开敏感地带

道路施工造成植被破坏导致一定的水土流失，对村民生活及生产用水也造成一定影响，处理不当还有可能造成群体性事件，因此道路选线时尽量避开水源地，如无法避开，应尽早投入水保施工，尽量减少水土流水，把影响降低到最低限度。在现有人文环境下，若道路穿越地，需要迁坟有较大难度且需要较长的时间，势必对工程进度造成较大影响，因此在选线时应尽量避开，若实在无法避开，应尽

量提前做好工作，把不利影响降低到最低限度。

③曲线半径特殊要求对线路规划影响

根据《厂矿道路设计规范》，当各种车辆折合成载重汽车年平均日双向交通量在20辆以上时，宜按四级道路技术指标设计，根据风场施工及运营实际情况，检修道路按厂矿四级道路设计。通常情况下，圆曲线的半径取值下限为50m，当受到极端条件限制时可选择为30m。为方便行驶，可将圆曲线路段设置为超高及加宽。一般选取竖曲线半径极小值为100m，竖曲线内最小长度应大于20m。

2复杂地形风电场一体化优化设计

复杂地形风电场的设计过程中，对风电场的风力机排布进行优化，初步确定风电场的风力机机位，最终确定还需考虑风电场内的集电线路和检修道路布置。因此，本文提出在微观选址优化的基础上，进一步优化集电线路和检修道路的布置。

2.1微观选址优化设计

本文所研究的问题是依据风资源分布、地形特征和机组参数等信息，如何在山地地形风场内微观选址。当地形较复杂或不存在明显的风向时，就无法按照经验来布置机组，此时就需借助一些算法和策略优化机组布局。本文采用遗传算法，合理优化风力发电机组的位置使风力发电机组年发电量最大、尾流损失最小。

风电场微观选址优化是多变量非线性优化问题，优化变量为每个风力机的位置坐标。对风电场进行布机时，考虑尾流的影响，避免风力机间间距过小，坐标要同时满足边界和间距约束条件。

2.2集电线路优化设计

当风电场处于复杂的山区地形，集电线路主要采用电缆直埋方式，受周围环境影响小。风力发电机组通过箱式变电站升压至35kV，经高压电缆直埋，利用箱式变电站高压侧的铜板母线进行环接，然后送至升压站。集电线路回路数由机组的分组方式决定。分组方式在一定程度上遵循平均分配的原则，但要考虑实际地形的影响，应保证各回路最大输出容量满足单回输送容量的限制。本节中优化变量为两台风力发电机组的距离，在复杂地形中，它不再是简单的直线距离，而采用单源最短路径算法进行计算。

同时在优化过程中，根据带敏感区和风力机机位的地形图、升压站坐标、回路数等参数选择电缆截面时，满足大于热稳定最小截面、电压损失小于设定值、电缆弯曲半径应大于15倍电缆直径。并且集电线路考虑单回射型连接，尽量不交叉。风电场内较长段（超过电缆厂家最大生产盘长时）电缆截面一般不宜超过300 ，单根电缆总长超出单盘长度时增加中间接头。

2.3检修道路优化设计

检修道路优化是基于检修道路最小成本为目标的优化。因此，本节的优化参数由道路结构层材料造价和道路土石方工程量造价组成。

道路土石方工程量造价分解为土石方体积乘以土石方单位成本，道路土石方工程量造价分解为土石方体积乘以土石方单位成本。土石方造价计算分为以下几种情况：①当道路填方与挖方总体平衡时，认为土方在1km范围内能够调配平衡，土石方工程量造价等于挖方量乘以挖方单位造价；②当挖方大于填方，按挖方计算，土石方工程量造价等于挖方量乘以挖方单位造价，弃土费用已含在挖方单位造价中。

结语

在优化过程中，要满足以下约束条件：①检修道路设计等级。检修道路按厂矿四级道路设计，即道路极限最小极限圆曲线半径为15m，竖曲线最小半径100m，竖曲线最小长度20m。②道路纵坡限制。在工程艰巨的山岭、重丘区，一般要求坡度不大于10%。③场地用地性质限制。一般风场范围较大，范围内不可避免有耕地、林地等，优化选线应根据实际情况避开这些农用地。④场地地物限制。风场范围内的地物包括文物古迹、坟、敖包、村庄等，优化选线应视情况避让。道路边线避让满足一定距离要求，一般按100m考虑。

参考文献：

[1]宋梦譞，何仲阳，陈凯，等.风电场微观选址软件的应用[J].工程热物理学报，2013，（7）：1299—1302.

[2]牛清华.关于风电场集电线路的优化设计[J].水利水电工程设计，2012，31（4）：36—38.