新能源科学与工程-六盘水盘县轿顶山风电场的规划与设计

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：六盘水盘县轿顶山风电场的规划与设计学院：XXXXX学院专业：新能源科学与工程班级：能源XX学号：XXXXXX学生姓名：XXX指导教师：XXXXXXX2014年5月31日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名：日期：页第1章绪论1.1研究背景及意义全球风力发电在经过前几年的平淡发展后，目前已迎来了新的发展热潮，2014年风电新增加的装机容量就突破了5亿千瓦，其中全球2014年风电新装机容量排名前五位的是中国、德国、美国、巴西和印度。中国以2319.6万千万的新装机容量占全球榜首，德国以527.9万千瓦排名第二，全球排名第三的美国新增装机容量达到485.4万千瓦。然而在2014年全球风电累计装机容量排名前五从高到低分别是：中国、美国、德国、西班牙及印度。从国内来看，2015年6月底，全国风电累计并网容量达到1.05亿千瓦，中国在十三五规划更是重视发展风力发电，预计到2020年时，风电装机容量达到2000万千瓦，并且要让风电与煤电上网电价相持平。因此为来我国风力发电将迎来一片热潮，其发展潜力巨大。我国在风力发电技术上的研究也已较为成熟。对风电场的规划与设计也有很多相关领域及高校进行研究并获得一定的成效，比如：河北科技大学一名学生发表的硕士论文《山地风电场工程规划设计》，通过对金紫山风电场的规划设计，使风能资源得到合理利用，为社会创造价值，给风电相关行业提供借鉴及参考。风力发电利用已成为一种趋势，对风能资源的合理、精准掌握也就成为了各国攻坚的技术之一。利用精准的风资源数据，通过优化的规划和设计风电场将对国家增加发电量，改善地区能源结构，带动地区经济发展及改善生态环境影响重大。风力发电作为一种可再生能源，合理利用风力发电对于改善我国能源结构、提高地方能源供应的多样性和安全性及增加就业带动国内经济快速发展意义重大。贵州省六盘水市盘县轿顶山地形相当复杂，风电场所处位置离城市较远，如果建立风电场，则就需要考虑很多因素，在进行风电场规划与设计时，应注意气象数据的不稳定、数据较少、可关联性低等问题[1]；通过对轿顶山风电场的规划与设计，可以更高效地将风能资源转化为电能，将促进贵州省的能源结构的变革，实现风电场的优化设计，在风电场建设方面获取相关的技术经验，为山地、丘陵等复杂地形建立风电场和以后从事相关研究提供参考和借鉴。

1.2风力资源概述1.2.1风力资源的特点风力资源是因太阳辐射使地球表面受热不均，空气流动产生动能的自然资源。风能属于可再生新能源，其全球资源蕴藏量巨大且分布广泛，利用过程中污染较小。风能利用基本没有对环境的直接污染和影响；风电机组运行噪声在40~50dB左右，远小于汽车的噪声，在距离风电机组500m外已基本不受影响。由于风能是由空气的流动而产生，而其风能密度将会随着空气密度的变化而变化，当空气密度很小时，风力能量密度也随着变得很低。此时如果想要获得更多的风力，就必须要将风力机的风轮做的很大，这对于安装风力机难度加大且风力机的使用寿命也受到很大的影响。根据不同地区风能差异和不稳定性；风能面临着地形地物的制约，风力发电的影响比较大，即便是在同一个区域，随着季节、昼夜、有利地形处风力的大小等因素的影响，导致风能也就不同，而在风能储存上也涉及这较多问题[2]。这些因素都大大增加了风能的利用难度和制约着其发展。1.2.2风力发电原理随着社会的高速发展，人类对风的利用有了飞跃的变革；从远古风车经过相当长时间发展，如今在风的利用上，已经形成了比较成熟的风力发电技术，人类以风力发电原理为基础，在利用风力发电的过程中，随着科学技术的发展风力利用技术跟着技术创新，以更优、更高效的方式充分利用风能资源，为人类社会发展创造更多的价值。对风力的认识知道风力发电分为陆地风力发电和海上风力发电，但是无论以何种风力发电形式进行风资源利用，其主要的构成设备是风力发电机组（简称风电机组）。机械组中的风轮充当着风电机组的心脏，当风电机组进行风力发电时，风轮吸收风力，为风力机发电提供源源不断的机械能。其中风轮包括叶片和轮毂。叶片通过气流带动风轮旋转，将空气动力的能量换成机械能，要求具有较好的空气动力外形；机械能驱动齿轮箱里面的齿轮旋转并增加转速，牵引发电机发电，实现机械能向电能的转变；最后，通过场变压器将每一台风力发电机的风能汇集起来传输到升变压器，根据电网的要求变压器将电能升到同电网一样的电压等级电压，从而实现并网运行发电[3]。1.2.3世界风力资源分布状况根据相关资料的统计，全球风资源储量较为可观，每年有将近1.5×1018KWh的辐射能来自外层空间，其中2.5％的能量在辐射过程中被大气吸收，被吸收的能量使得大气受热不均从而产生大约4.3×l0l2kWh的风能。全球风资源所占陆地面积及风力在3至7级面积分布情况如表1.1。表1.1全球风能资源分布地区陆地面积(km2)风力3~7级所占的面积（km2）北美193397876拉丁美洲和加勒比184823310西欧47421968东欧和独联体230496783中东和北非81422566撒哈拉以南非洲72552209太平洋地区213544188（中国）95971056中亚和南亚4299243总计10666029143欧洲在整个欧洲大陆上，大部分地区的风速基本在6至7m/s以上，但是部分地区如伊比利亚半岛中部、意大利北部、等部分东南欧地区以及土耳其地区等区域风速较小，在4至5m/s以下。但相对于全球风力资源分布情况来说，欧洲风资源相当丰富，风能利用技术最为发达，其中在沿海地区风资源最为丰富，年平均风速到达9m/s以上[4]。由此观之，合理利用好风资源是对于地区能源发展相当重要。亚洲中亚地区蕴含的风能十分丰富，在草原和阿拉伯半岛及其沿海沙漠大部分地区很多地区风速都在6至7m/s；蒙古高原风速更是到达9m/s，由于空气密度低，风功率密度就很低，风能的利用就不太好；南亚次大陆沿海和亚洲东部及其沿海地区风速也在6m/s以上，但气候复杂多变，地震台风海啸等自然灾害较多也不利于风能的开发利用。非洲撒哈拉沙漠沙漠在其以北地区风速基本是6至7m/s以上，以南地区风速较低，大部分地区均在5m/s以下，部分地区甚至还不到3m/s，南部不利于开发利用；南非陆地上风资源较好，其风速能基本达到7m/s以上；南部沿海风速很大，达到8至9m/s以上，中东部沿海风速也较大，达到6至7m/s，具有较大风资源储量可开发利用。中北美洲中北美洲具有丰富的风能资源，开发利用价值极大。其风资源主要分布于北美大陆中东部及其东西部沿海等地区。由于其开阔平坦地形，美国中部地区北美大草原及大部分沿海年平均风速均在7m/s以上；而在其东西部沿海地区风速可达到9m/s。南美洲阿根廷均处于风资源丰富区，风速均在6m/s以上，其南部地区的风速甚至达到8至9m/s；巴西东南部的高原地区风速在7m/s以上，安第斯山脉地区风速达到9m/s以上；沿海东部沿海以及南部沿海地区的风速普遍达到8至9m/s，南美洲风力资源较为丰富，风能储量较大。1.2.4国内外风电发展现状从20世纪90年代起，环境汅染和气候变化等由于能源的滥用从而导致的问题渐渐引起人们的注意，便使风力发电等洁净的可再生能源进行研发利用也重新使许多国家政府注目，在欧洲，利用风的能量来进行发电，这一环保举措，实现了风力发电从实验阶段进入到商业规模的联网运行。一般来说大型风电机组大多建造在广阔、没有人员进行看管的郊区，在进行风力发电时，建造及运行过程中会受到恶劣气候的干扰，所以在进行示范性的试验时，样机经常会因各种因数出现各种问题，导致风电机组的稳定性较低。所以，人们在进行试验时，优先选用选择结构简单，小容量、失速调节、三叶片、恒速运行的风力发电机组投入运行，实践证明这种机组相当成功。在目前，实现商业化运行的风力发电机组单机总容量已经达到了20世纪80年代的示范机组规模，机组的效率得到很大的提高是由于机组实现变速方式调节及变桨距运行，并且出现了更先进的一种直接由风力来推动风机工作和双馈式新型风力发电机组。我国的开发利用风力发电技术始于1970年。根据牧民和农民所在地区的需求，从彷制国外的风电机组到我国的自行研究，我国的风力电场建设也在这时逐步进入起步阶段，并把新疆和内蒙古作为风电场地理位置选择，安装了数台国外引进的风电机组，以此开始了对并网风力发电技术进行测验和示范。在经过了15年左右的技术与经历的发展，我国风力发电也已大致地弄清了300~500kW的大型风电机组的设计与制造技术。到21世纪，由于世界各国大力发展经济，能源和环境问题日益突出。使得我国的风电技术渐渐进入迅猛的发展时期。并且风力发电必将在不就得将来成为我国解决边远地区的用电问题的的主要方法之一。1.3我国风力资源区域划分概述中国地大物博，幅员辽阔，地形复杂，因此风能资源的分布特点随地形和地理位置差异而变化较大。根据相关风资源类别划分标准，按年平均风速的区域变化，将我国风力资源按各地风力资源的不同大体可分为以下4个区域，见表1.2[5]表1.2中国风力资源区域划分区别平均风速（m/s）分布地区丰富区＞6.5西北、华北、东北北部地区、福建等东南沿海、松花江下游、山东和辽东半岛较丰富区5.5～6.5西北、华北、东北地区南部地区、东南沿海内陆及渤海、青藏高原区可利用区3.0～5.5中部、大小兴安岭地区及两广沿海区贫乏区＜3.0塔里木盆地、云贵川和南岭山地区我国风能资源丰富的地区主要分布在：西北、华北、东北地区（简称“三北”地区）；该地区内风能功率密度达到200～300W/m2以上，风能资源储量占到全国陆地风能资源总储量的79%左右。全年可利用的小时数在5000h至7000h以上，由上可见，该地区资源条件优越，完全具备了建设大型风电基地的条件，拥有巨大的风力发电开发潜力。

1.4我国风力发电现状中国正进入加速工业化建设的深水期，随着全球社会经济的持续发展，面临的资源和环境问题越加凸显，为此我国大力发展风电、太阳能等清洁能源。2014年我国风力发电累计装机容量达到9.64亿千瓦，占全国发电装机容量的7%左右。其中风力发电上网电量达到1500亿千瓦时，占全部发电量的2.8%。我国2014年风电新装机容量和累计装机容量排名前五的省份如图1.1和图1.2，由图表可知我国风力发电在内蒙古和甘肃两个省份发展最快，无论是在新装机容量还是累计装机容量都在我国排前三，因此加强该省份地区的风能发电，从部分省份开始带动全国能源的发展将对于改善我国能源结构具有重要的意义。图1.12014年中国风电新装机容量排名前五的省市图1.22014年中国风电累计装机容量排名前五的省市1.5贵州省风力资源分布及风电现状1.5.1贵州省风力资源分布情况根据贵州风能资源详查和评估报告可得，贵州70米高度风能资源情况如表1.3表1.3贵州省风资源开发可利用情况表区间（W/m2）技术开发面积（km2）技术开发量（万千瓦）>2002769770>2502002558>3001630456>400568157从地区来看，贵州风资源较为缺乏且分布上也相对零散。根据相关资料可得，贵州风能资源西部及中部好于东部、南部及北部，但是风资源利用的高值区分布也相对零散，分布不均[6]。根据资料可知贵州省风能资源分布如图1.3。由图可得较为丰富的区域主要分布为铜仁市、遵义市东部、毕节市中北部、市西部，六盘水市南部，黔西南州中南部及黔东南州北部等地区；缺乏区主要分布在遵义市西北部、贵阳市北部、黔西南州局部及黔南和黔东南州局部。图1.3贵州省风力资源分布图1.5.2贵州省风力发电现状从我国风力资源分布情况来看，贵州省属于风能资源较差省份之一，其中因其气候条件恶劣，地形崎岖，一直以来贵州省被认为是风资源缺乏的省份。在对贵州省风资源的精确评估后，经过了两年多时间，贵州省风力发电实现了突飞猛进地发展。截止2013年底，贵州的风电并网装机容量达到了102.36万千瓦，在建容量达到了186.45万千瓦。各市并网风电装机容量情况如下表1.4表1.42013年贵州省各市并网风电装机容量情况名称毕节市六盘水黔东南州黔南州贵阳市合计装机容量(MW)5439549.6256.579.51023.6从上表可看出毕节市2013年风电装机容量占全省的53.5%，由于毕节地区风力资源相对于其他市较为丰富，对于贵州省风能利用就主要以毕节地区为主的分散式开发。然而从贵州省以煤为主，以水为辅的能源结构来看，对于“西南煤海”之称的贵州来说，为改善贵州日益凸显的环境问题及改变能源结构，对贵州风力发电开发利用就显得十分重要。无论是国家还是省政府对风电也给予大力的支持。在2011年，贵州省从2011年到2013获得的年度装机容量分别为：50万千瓦、100万千瓦和120.6万千瓦；在2014年度更是达到了155.1万千瓦[7]。然而高原山地风电场的建设更具难度，投资也更大。但是通过合理的规划与设计还是有开发利用价值的，未来，贵州风电开发将一片光明。1.6本设计的主要内容（1）以六盘水轿顶山风电场为基础，通过收集风电场风资源数据，利用WAsP软件对风资源数据进行分析与评价；（2）根据分析后的风资源结果，运用WAsP软件建立轿顶山风电场的矢量地形图，输入相关数据开展风电场风力发电机组优化选型及风电场微观选址分析；（3）依据微观选址的结果对风电场进行电气一次设计和电气主接线绘制。

第2章风电场风资源数据分析与评估2.1数据来源新能源门网站。该网站采用高性能计算服务器，利用先进的中尺度天气预报模式WRF及CFD流体力学模型，利用四维变分同化技术将近600座测风塔数据、300多座辐照仪观测数据、地面观测站以及卫星、雷达数据进行资料同化，提供全国1km分辨率的高精度历史模拟数据，包括风速、风向、风功率密度等风资源数据。2.2风资源分析2.2.1风资源区域概述贵州省六盘水市盘县轿顶山风电场分为南北两个区域(经度：104o49维度：26o6)，北部区域位于六盘水市盘县普古乡与水城县龙场乡交界处，南部区域位于六盘水市盘县普古乡与松河乡、淤泥乡交界处。2.2.2风速和风功率密度数据分析根据获取的贵州省六盘水市盘县轿顶山风电场所在地风资源数据表2，利用WAsP软件制出全年风速和风功率密度年变化曲线图2，从图中可知风场大风月出现在2月、3月、4月、5月、6月、7月、9月，风速、风功率密度较大；小风月出现在1月、8月、10月、11月、12月，风速、风功率密度较小；风速、风功率密度在3月份最大，1月份最小。

表2全年风速和风功率密度年变化时间10米风速（m/s）10米风功率（W/m2）70米风速（m/s）70米风功率（W/m2）14.366.265.03104.725.42125.386.3195.1335.69160.46.46230.3445.43147.056.24217.1955.55134.226.38199.3565.19113.995.98167.3475.2131.056.18208.2584.9108.65.86179.8395.13196.556.09317.15104.7299.085.51158.7114.7295.475.55157.47124.81103.615.68169.93图2全年10m、70m风速和风功率密年变化曲线10m、70m风速全年变化曲线10、70m风功率密度年变化曲线2.2.3风速和风能频率分析根据轿顶山风电场所在地全年风速和风能频率分布统计，表3数据，利用WAsP软件得出该地全年风速和风能频率分布图3，由图可知，10m高度处风速在1、2、3、4、5、6m/s出现的频率较高，总和为80.90%；风能在15、16、17、18、19、20m/s出现的频率较高，总和为74.74%；测风塔70m高度处风速在2、3、4、5、10、11m/s出现的频率较高，总和为92.42%；风能在14、16、17、20、21、22m/s出现的频率较高，总和为69.02%。

表3全年风速和风能频率分布统计表风速区间10m风速频率%10m风能频率%风速区间70m风速频率%70m风能频率%0-17.8400-11.4501-214.140.021-29.380.022-318.520.062-320.370.053-417.210.153-425.70.124-513.50.294-526.020.225-69.690.495-106.331.746-75.940.7810-114.622.317-84.241.1811-122.672.988-93.061.6712-131.483.839-101.82.313-1414.810-111.233.0614-160.457.1111-120.783.9216-170.228.4812-130.385.0617-200.1113.9113-140.296.2920-210.0616.1714-150.167.6921-220.0718.5515-160.099.4816-170.0611.2217-180.0713.3618-190.0415.7519-20017.24图3全年风速和风能频率分布图10m全年风速频率分布图70m全年风能频率分布图10全年风能频率分布图70m全年风能频率分布图月平均风速5.94m/s，其中3月风速最大，5月次之，而1月、8月、10月、11月、12月风速最小。风速与风功率密度变化趋势一致，风能密度最大约为317.15W/m²，最小约为104.70W/m。2.2.4风向频率和风能密度分析表4和表5分别为项目所在地多年平均风向频率和风能频率统计表，由该表做出的风向和风能玫瑰图见图4和图5。图表结合可知，项目所在地的主导风向为WSW（西南偏西风），占比11.9%。盛行风能的方向与主导风向一致。表4多年平均风向频率统计表（%）方位NNNENEENEEESESESSE百分比6.26.5方位SSSWSWWSWWWNWNWNNW百分比7.98.7表5多年平均风能频率统计表（%）方位NNNENEENEEESESESSE百分比38.7710.694.632.041.0511.211.67方位SSSWSWWSWWWNWNWNNW百分比33.813.243.483.113.034.618.24图4图5

表6贵州省六盘水市盘县70m风能资源和气象统计表指标数值平均风速(m/s)5.94最大风速(m/s)23.84最小风速(m/s)0.20主导风向WSW（西南偏西风）平均压强(Hpa)828.25平均温度(℃)11.47最高温度(℃)30.18最低温度(℃)-10.522.3风资源和气象条件综合评价贵州省六盘水市轿顶山风电场所在地主导风向为WSW（西南偏西风）。大风月出现在2月、3月、4月、5月、6月、7月、9月，风速、风功率密度较大；小风月出现在1月、8月、10月、11月、12月，风速、风功率密度较小；风速、风功率密度在3月份最大，1月份最小。综合来看：10m高度处的年平均风速为4.07m/s，年平均风功率密度为123.47W/m2；70m高度处的年平均风速为5.94m/s，年平均风功率密度192.11W/m2；。参照国家标准《风电场风能资源评估方法》(GB/T18710-2002)风功率密度等级划分情况表2.3可知，贵州省六盘水市盘县风资源等级为2，可开发利用风能。图2.3是贵州省六盘水市盘县风资源分布图。图2.3贵州省六盘水市盘县风资源分布图按照国家标准《风电场风能资源评估方法》(GB/T18710-2002)风功率密度等级见表2.4，风功率密度是风场风能资源的综合指标。表2.4风功率密度等级风功率密度等级10m高度30m高度50m高度应用于并网风力发电风功率密度W/m2年平均风速参考值m/s风功率密度W/m2年平均风速参考值m/s风功率密度W/m2年平均风速参考值m/s1＜1004.4＜1605.1＜2005.6较差2100-1505.1160-2405.9200-3006.4一般3150-2005.6240-3206.5300-4007.0较好4200-2506.0320-4007.0400-5007.5好5250-3006.4400-4807.4500-6008.0很好6300-3507.0480-6408.2600-8008.8很好7350-4009.4640-160011.0800-200011.9很好应注意上图中风速参考值依据的标准条件与风场实际条件的差别：按风切变指数为1/7推算不同高度的年平均风速参考值，按海平面标准大气压及风速频率推算风功率密度上限值对应的年平均风速参考值[8]。

第3章风力发电机组设备选型及微观选址及发电量预估3.1风力发电机组设备的选型3.1.1风力发电机组选型时应考虑以下因素国内外风电机组制造商的制造能力是选址风机选型的首要因素。在近几年来，风力发电机组的主要零部件的科技水平有着明显的提高，在风力发电机组的整体的生产方面也有着显著的增强，因此，在关于风力发电机组的抉择方面也要根据风机的生产厂商所掌握的科技水平以及生产出的风机的使用情况来决定[9]。风轮在工作时产出电量的工作效率的调控方法。风轮在工作时产出电量的工作效率的调控方法主要有失速调节和变桨距调节这两类。在目前的市场上主要是采用变桨距调节控制的方式，但两种控制方式在不同的环境运行时各有利弊，因此要选择合适的各自适应环境下工作。（3）风电机组的工作方式。风电机组的工作方式分成变速运行和恒速运行。恒速工作的风力发电机的有点为调控方便，具有良好的稳定性能。其劣势为因为转速在一般情况下保持不变，并且风的速递总会发生改变，所以致使风力机组总会运行于风能利用系数（Cp）比较小的位置处，从而导致不能完全的使用风能[10]。变速工作的风力发电机组通常使用双馈异步发电机或者多极永磁同步发电机。（4）电机的种类。发电机的种类包涵异步发电机、双馈感应型发电机以及多极永磁同步电机。风力发电机最多使用的是被普遍使用的异步发电机，在平时运行的时候，且当产生有用的功率的同时，必须在风机的电力系统中吸取一部分的无用功才可以进行正常工作[9]。使用多极永磁同步发电机的风电机组，它的发电机为外转子型，其转抽处在定子的外面，发电机的大小以及外圆直径比较小，其质量也小，便于输送。（5）风力机传输动力的方式。风力机传输动力的方式包涵了齿轮传动方式以及无齿轮箱直驱方式。现在，风力机一般都使用齿轮来进行传动，虽然花费的本钱比较少，然而会导致风能转化为电能的效率减少、有巨大的杂音，这些便是导致部件发生故障的重要因素，并且要减小对部件的耗损程度就必须进行润滑与清洗等定期的维护和保养。使用无齿轮箱的直接驱动的方法会增大风力机的制造成本，但可以更加有效地增大整个风机工作的效率和工作稳定性。3.1.2风电机组制造商的制造能力国外主要风机生产厂商的状况描述如下：VestasWindSystemsA/S：位于丹麦的Vestas公司为全球风电产业内科技水平最高的厂商，他们的主要做的便是开发、制造、维护以及对风电系统的出售[9]。这家公司于19世纪70年代末便开始了生产风力发电机，在80年代末其便将目光聚焦在风能的使用研讨上，此后发展成为全球风电的高科技领军。BonusEnergyA/S：在1979年后位于丹麦的Bonus公司只在对当时使用最多的风力机进行生产，并且成为了全球非常出名的生产厂商，在这过程中不间断的研究出新的风力发电机技术。这家公司的风机产品为定桨距和主动失速型机组。GEWindEnergy（美国）：这家公司是全球著名的风机生产厂商，在德国、西班牙以及美国的Florida州都有其产地与研究所，所以他们公司所生产的风力机的质量好，并且还会有发达的生产技术与维护方法等的售后服务[11]。现在所制造的风力机的发电量在1.5MW到3.6MW之间。我国现在主要的风力发电机组生产厂商有：新疆金风科技股份有限公司（Goldwind,金风）：在1997年，这家公司从德国迁入了Jacobs600KW的风力发电技术，并且首先就制造出百余台风机。而又在20世纪初期从德国迁入REpowWR技术，并且研发并制造了750KW的风力发电机，2004年投入市场。金风公司的风力发电机的产出终结了中国的风电技术只能靠从国外引进的困难。东方汽轮机公司：简称“东汽”，具有1500KW至5MW大型风电机组产品系列，05年1500KW风电机组已成功投入商业运行，其风机的发电机、叶片、机架、齿轮箱、罩壳等都能够自己进行生产。3.1.3风力发电机组优选轿顶山风电场项目总投资70184.54万元，拟采用单机容量2000kW机组共40台，总装机容量约80MW，平均年上网电量为166.934GW·h，等效满负荷年利用小时数为2087h，单台机组平均年发电量为4173MW·h。候选风机分别为VestasWindSystemsA/S公司的V66（2.0MW）与V80(2.0MW)，BonusEnergyA/S公司的2MW型;把这三种机体的类型做对比，其机体的特征数据如下：叶片数为3个叶片额定功率为两兆瓦风轮直径为66米到80米之间切入风速为4米每秒切出风速为25米每秒额定风速为10.3～12.5米每秒安全风速为52.5～59.5米每秒轮毂高度为60米到67米之间表3.1初选型在标准空气密度（1.225kg/m3）下功率曲线及推力系数曲线表风速Bonus2MWVestasV66VestasV80(m/s)推力系数功率(MW)(kW)推力系数功率(MW)推力系数功率(MW)40.8570.0430.8040.0330.8180.06750.8580.1330.8240.0940.8060.15460.810.2370.8230.1780.8040.28270.8530.4010.8210.2940.8050.46080.870.6230.8190.4510.8060.69690.8110.8860.8250.6550.8070.996100.7561.1900.7870.9010.7931.341110.6791.5020.7371.1690.7391.661120.5841.7400.6531.4330.7091.866130.5111.8910.5711.6670.4091.958140.4391.9620.51.8430.3141.988150.3831.9880.3931.9430.2491.997160.3381.9960.3091.9850.2021.999170.3011.9990.251.9970.1672.000180.2712.0000.2062.0000.142.000190.2462.0000.1732.0000.1182.000200.2552.0000.1472.0000.1012.000210.2072.0000.1272.0000.0882.000220.1922.0000.112.0000.0762.000230.1792.0000.0962.0000.0672.000240.1682.0000.0842.0000.0592.000250.1582.0000.0842.0000.0522.000利用WAsP软件绘制出三种风机类型的功率与推力系数的曲线图，如图3.1.1、图3.1.2、图3.1.3。图3.1.1Bonus2MW的功率与推力系数的曲线图3.1.2VestasV66的功率与推力系数的曲线图3.1.3VestasV80的功率与推力系数的曲线由以上的风电机组的功率及推力系数曲线图可知：VestasV80(2.0MW)风机在平均风速到17m/s时达到2MW额定功率，此时推力系数为0.167；VestasV66（2.0MW）风机在平均风速到18m/s是达到额定功率，推力系数为0.206；BonusEnergyA/S公司的2MW风机达到额定功率是平均风速为18m/s,此时推力系数为0.271.故选择VestasV80(2.0MW)风机。3.2风电场的微观选址分析3.2.1微观选址要求在对于复杂地形如山区、山丘等风电场进行微观选址时，不可以单纯地按照类似与平坦地形的原则来决定风力发电机组所要建立的方式，而需按照具体当地的风电场地理特征，在进行测量计算、对风力机所处位置各个方位上的风力资源进行估测之后，并且还要总体思考不同条件的影响，比如所处地方的土地质量、风力机的安放等，最终选择出最佳的地方来建立风力机。假如位于地形较为繁杂、比较陡峭的山坡上进行选取地址，还要考虑风电机组在安装、运输、吊装等方面的情况。根据查阅相关资料得出微观选址通常有一下的条件要满足：（1）在最开始，要针对建立风力机组的地区的风力资源做出估算，找到风力资源较为丰富的地方进行安装；（2）其次根据由于本设计风电场地处山区，通过考虑其具体的地形、道路情况确定适合布置风机的合理位置[12]；在选出合乎情理的安装地点时，地面的坡度要相对较小，不可以超出道路便于达到的位置；（3）在充分的解决（1）（2）两个条件的前提之下，决定风力机之间有着不相同间隔距离也是必须要考虑的，不相同间隔距离相较于风力资源的使用状况所产生的干扰很大；因此要根据一定的经验，选择间隔距离为：主要风的方向地点上为3倍的风机风轮的直径，铅锤于主要风的方向上为2倍的风力机间隔距离；（4）确定好风机间距后，以当地的实际地形为依据进行风机上布置，利用WAsP软件输入统计的风资源数据及地形图并估算出发电量、湍流强度及尾流损失等对微观选址的影响；因为繁杂的地形所受到地形自身的成分干扰相对大一些，只可以于能够有安装的地点进行风机的安装，此些地点大多处在山区地区；类似这些地形的风力机的安装便会较为特殊。贵州省六盘水市盘县轿顶山风电场分为南北两个区域，北部区域位于六盘水市盘县普古乡与水城县龙场乡交界处，而南部区域位于六盘水市盘县普古乡与松河乡、淤泥乡交界处。在交通方面，水柏铁路横穿松河乡，英柏公路、刘洒公路及松普公路从境内通过，且正在兴建的水盘高等级公路横跨松河，松河火车站的客货两通使松河成为盘北地区重要的交通枢纽和物资集散地，交通便于风机的运输。3.2.2风电机组布置原则（1）为减小上下主风向上各风电场间的尾流影响，提高发电量。根据国内外大型风电场的设计经验，风机间距大于20D时几乎无尾流影响，考虑节约利用土地资源，各风电场间距应为2～2.5km。（2）根据场址地形特征确定风电机组布置。该区域地形起伏较大，风能资源情况也存在差异，故采用不规则排布，风机位置选择风能资源和施工条件良好的位置。（3）为了使风力资源得到充分利用，对风电场内风机排布按垂直于主风能方向，确定合理的风机排布间距，在尽可能减小尾流影响、增加发电量的同时使风机布置较为集中，节约利用土地资源[12]。（4)减少风电场配套工程投资[13]。（5）对于像矿产压覆区域、文物古迹、自然保护区等国家保护地应安相关规定避让。3.2.3风电机组布置根据上述的要求及原则，六盘水市盘县轿顶山风电场场址有山谷，山丘等，风电场址呈梯形，根据风电场地形图3.2所示，本次设计以单机容量为2.0MW的VestasV80机型40台风力发电机为例进行风机布置分析。图3.2.3轿顶山风电场地形图3.2.4风电场风机排布根据风能资源评估结论，风电场区域主风能方向为主导风向为WSW（西南偏西风）。为充分利用风能资源发电，本次设计按垂直于主导风向为WSW（西南偏西风）方案进行，选择风机间距为350-400m，在WAsP软件上建立风电机组，其最优的排布如图3.2.4。图3.2.4风机布置图3.3年上网电量估算（1）根据相关原理每年发电量推算通过综合性的分析，风力发电场年上网电量估算采用某测风塔2014至2015年完整一年的代表年测风数据、推荐机型风机布置方案、1：50000和1:10000地形图，使用合适的集体型号所得出的关于在当地的空气密度下的动态功率曲线以及推力系数曲线，并使用WAsP软件来估算发电量，得到本风电场风机的理论年发电量。（2）风力发电机组的利用率按照现在各种风力发电机组的生产技术能力以及这个风力发电场相关的实际因素，本篇设计的风机其可利用率取为95%。（3）风电机组功率曲线保证率风电机组厂商对功率曲线的保证率一般为95%，本次在计算发电量时采用风电场空气密度1.225kg/m3下的风电机组功率曲线，本次功率曲线的保证率取95%[16]。（4）风机的叶片由于受到环境因素的磨损而导致其表面的粗糙程度增大，叶片类型的空气动力特征降低，进而减弱了风机对风能的获取性能。考虑本风场风沙较大，沙尘暴灾害较为严重，叶片污染折减系数取2%。（5）场用电、线损等能量损耗参考国内已运行的同类型风电场的场用电及线损情况，粗略的推算此风力发电场的场用电与输电线路、箱式变电站的损耗约为总发电量的3%。（6）还有一些不能确定或者难以确定的条件的干扰，如软件计算误差等不确定因素，按1%考虑。经以上综合折减后（综合折减系数为30%）本风电场推荐方案发电量成果见表5.9。表3.3风电场工程发电量计序号项目单位VestasV801装机容量MW802单机容量MW23台数台404叶片直径m805轮毂高度m676理论发电量 万KW.h166927净发电量万kW.h143568上网电量GW.h136.9349利用小时数h201710推力系数0.167由表3.3可看出，VestasV80机型估算年上网电量为13693GW.h，净发电量为14356万Kw.h年利用小时数为2017h。轿顶山风电场与预计拟定的容量平均年上网电量为166.934GW·h，等效满负荷年利用小时数为2087h，单台机组平均年发电量为4173MW·h接近。

第4章电气一次设计分析4.1主接线设计原则及要求电气主接线又叫一次接线，其过程是利用线路将发电厂、变电站、和用户连成一个完整的系统。在设计一次接线时，必须结合风电场的实际情况，根据选择的主、场变压器和箱式变压器的规格按照相应的要求进行设计。在绘制接线图时，规定的设备文字和图形符号应重视，并按工作顺序排列，详细地表示电路中的设备，绘制主接线电路图[14]。主接线的设计关系到所有电气设备的选择，同时关系着电力系统的安全、稳定和经济运行。风电场发电、变电、输电和用电等环节靠主接线的路程进行，因此合理设计主接线将对地方经济和人民幸福生活起到积极的作用[17]。但是主接线的设计是一个综合性的问题，所涉及的问题众多不仅须要国家有关技术经济政策的支持，还必须协调好各方面的关系。根据查阅相关资料，及风电场电气系统典型设计可拟定本设计风电场总装机80MW，年运行小时数到达2087小时，由此可知本次设计的风电场属于装机规模在80MW左右的中型入网系统风电场，故可以采用110kV及左右电压等级接入该电器系统。4.2主要电气设备选择4.2.1变压器的选择一般大型风电场中常采用二级或是三级升压的结构，由于本风电场属于中型，采用二级较为合适，在将风电机组发出的电能传输到电网就需要变压器的升压。故此过程需要的变压器主要有：箱式变压器、主变压器及场用变压器。1）箱式变压器选择箱式变压器主要分为欧式和美式（组合式变压器），由于其体积大、在负荷能力与供电可靠性上欧式比美式的强，故我国一般采用的是欧式式箱式变压器。根据风电场风电机组运行的特殊环境，对箱式变压器使用方面有一定的要求：首先变压器空载时间相对较长。其次变压器过载的时间要少，且运行环境不能太恶劣。最后变压器的箱体在结构强度、耐久度等指标上严格能够适用于特殊的风电场。。通过查找型号资料，根据上述要求次风电场适合选用佛山诺亚电器有限公司的35KV油浸式变压器SZ11-2000/35型。主要参数见表4.2.1。此种变压器设计合理，并优化绝缘工艺，提高了机械强度和抗短路能力。且采用优质冷轧硅钢片，表面涂固化漆，降低了损耗和噪声。外形美观大方、运行可靠。符合此设计风力发电场的选型要求。表4.2.1箱式变压器参数型号SZ11-2000/35电压组合/kV35/0.025额定容量2000kVA空载损耗2.3kW负载损耗19.24kW短路阻抗（%）6.5联结组别为Yd11Ynd112）主变压器和场变压器选择查阅资料可知，本次设计采用一台型号为SZ10-40000/110主变压器和两台变比为分别为35/0.4、10/0.4的无励磁调压配电变压器型号为S11-250/35和SC-250/10的场变压器。其主要变压器的主要参数如下表4.2、4.3和4.4。表4.2主变压器参数型号SZ10-40000/110高压（110±8）kV低压35kV额定容量40000kVA空载损耗31.3kW负载损耗148kW短路阻抗10.5%联结组别YNd11表4.3场用变压器35/0.4型号S11-250/35高压(35±5%)kV低压0.4kV额定容量250kVA空载损耗0.41kW负载损耗3.95kW短路阻抗6.5%联结组别Yyn0

表4-4场用变压器10/0.4型号SC-250/10高压(10±2×2.5%)kV低压0.4kV额定容量250kVA空载损耗0.75kW负载损耗2.88kW短路阻抗4%联结组别Dyn114.2.1断路器的选择根据断路器的特点和结构差异，在选择时应注意其适合风电场的合理选择，其分类主要有多油式、少油式断路器、压缩空气断路器及断路器和真空断路器，结合风电场的实际情况选择合适的断路器。通过查阅相关资料，本风电场适合选用35kV及以下电压等级的断路器，类型可以选择户内式少油断路器，也可以选择真空断路器或是SF6型的断路器。4.2.2互感器的选择本设计所选的互感器分为电流互感器和电压互感器，在选择时应该注意以下几点：首先在选择互感器时，根据其自身技术条件、型号、额定电压等参数选择适合本设计风电场所需的互感器型号，确定是以选择户内式为35KV以下还是35KV以上为户外接入所需系统；其次确定所需电流互感器和电流互感器型号；最后对所选的电流、电压互感器进行热稳定和准确度校验。4.3电气主接线绘制本风电场的主接线分为风电机组、升压变电站以及场用电侧。在设计主接线时首先应考虑风电机组系统侧的接线，结合本设计情况选择出口电压为690V；接入场变压器后升压至本次设计风电场35V的电压，在考虑到技术要求、建设及维护成本等因素上，此设计合理。将40台风电机组分为5组，每组8台，每一组经收集电系统将风电机组生产的电能按组收集起来的装置集中放在一个箱式变电所中[18]。根据以上电气的选择，通过合理的布局及设计绘制风电场电气一次主接线图见图4.3.1，图4.3.2。图4.3.1风电场升压站主接线一次接线绘制图图4.3.2风电场外送电能接线方式

第5章结论能源转型、能源变革、能源革命，能源引领全球经济的驱动。在风力发电利用技术越来越成熟的今天，发展能源将改变国家经济结构，强大国家综合国力。因此发展风能受到了全球各国的高度重视，有些国家更是将发展风力作为国家能源战略布局。然而为了使风力资源得到更高效合理的利用，让一个风电场项目能够获得最大的收益就成为了人们最为看重的问题，风电场的规划与设计也就显得尤为重要。本次设计是以六盘水市盘县轿顶山风电场为依据，利用WAsP软件对轿顶山风电场风资源数据进行分析与评估，根据分析结果进行该地风电场的规划与设计。通过对轿顶山风电场的规划与设计，进行微观选址和电气一次设计，更高效地将风能资源转化为电能，获得风电场建设的基础技术经验,为今后开发山地风电场提供参考和借鉴。最后得出以下结论：1）贵州省六盘水市轿顶山风电场所在地主导风向为WSW（西南偏西风）10m高度处的年平均风速为4.07m/s，年平均风功率密度为123.47W/m2；70m高度处的年平均风速为5.94m/s，年平均风功率密度192.11W/m2；。参照国家风力资源等级标准，贵州省六盘水市盘县风资源等级为2，风资源具有一定可开发利用的价值。2）根据对风电场风资源的分析结果结合查找相关的资料，使用WAsP软件绘制风电机组的功率及推力系数曲线，并在风电场选择了VestasV80(2.0MW)的风机。在选择风机后，通过机型位置确定，对