在风电从业者的眼中，高塔架似乎与复杂地形处在两个平行空间里。一般在复杂地形尤其是山地地形中，受地形特点影响，在山顶及山脊线上通常会出现明显的风加速效应。在加速效应的影响下，山地的大气边界层可以分为两层：一个“较薄”的内层，其内部的摩擦力超过惯性力，该层的典型深度为山地或山脉的半高宽度的1%～2%。内层之上为外层，其内部主要由惯性力支配。风加速系数通常在内层和外层的边界处达到最大值。当高度超越边界层后，风加速系数开始减弱，这也是山地地形中一般呈现小切变（垂直风速梯度小）的原因。然而，是否所有复杂地形都会呈现出小切变的特点呢？
图1 典型山脊风况示意图（引自《风能气象学》）
以陕北子长县某项目为例，该项目整体地形为黄土梁峁区，场区高程1200m—1600m，沟壑纵横。结合项目实际数据可以看出，两座测风塔实测50m~90m高度拟合切变在0.191-0.230之间。这是由于该区域沟壑密度大，地形对风速加速不充分，风加速效应对大气边界层的影响相对较小导致测风塔整体切变较大。在这种切变下，提升轮毂高度可以有效增加发电小时数，提高项目收益。然而，两座测风塔在80m~90m高度对应的风速梯度出现了明显减小的趋势，拟合切变只有0.1左右，如果采用该切变计算，提升轮毂高度将变得毫无意义。通常情况下，风资源工程师在做风速垂直外推时会选择拟合切变较小的结果来计算，而同时期国内也没有复杂地形使用高塔架机组的先例。是否坚持专业的判断，敢于打破常规，变成了摆在面前的难题。
通过对比测风塔各高度风速变化，发现夜间各高度风速差异较大，白天各高度风速差异较小，这是由于白天对流边界层存在强烈的垂直混合，到了夜晚，地表冷却会导致边界层出现强分层的特点，使得该高度区间的风解耦。80m高度以下的风，感受到的高层驱动风将会减弱， 90m高度以上的风将会由于缺少来自下方地表的摩擦阻力而加速。而80m~90m正处于对流边界层内，从理论的角度上看，仅使用80m~90m的高度拟合切变，对测风塔位置处整体切变的代表性相对较差。
图 2 测风塔各高度风速对比
理论上的障碍扫清后，采用短期激光雷达测风方案对该区域高空风速变化趋势进行定性分析，同时结合金风科技大数据平台，查找到该项目周边10km处存在的140m高塔同期完整年实测数据。结合雷达数据和高塔实测完整年数据分析，该区域90m及以上高度切变依然较大，这使得提高塔架增加项目收益成为可能。经过反复论证分析，综合考虑项目经济性该复杂项目最终推荐采用125m高塔架方案。
图 3 项目场区周边地形遥感图
图 4 140m测风塔和本项目测风塔主风能方向地形剖面（左）
以及测风塔实测风廓线考虑到项目地形较为复杂，该项目使用CFD软件建模计算，而计算时各项参数的设置，也对计算结果的精度有着显著的影响。为了降低CFD计算误差，参数调整主要从两个方面考虑：测风数据高风速段互推，用来调整森林密度模型和粗糙度模型。热稳定参数设置，用来调整入口风廓线。根据不同参数互推验证成果，最终选择外推误差较小的模型参数。通过下图和表可以看出，改变模型参数设置可以明显优化计算模拟结果质量。
图 5 各参数设置下模型廓线与测风塔廓线对比图
表 1 测风塔实测各高度与拟合各高度风速计算值
图 6 mast1各扇区模拟廓线与实际廓线对比
图 7 mast2各扇区模拟廓线与实际廓线对比通过两个测风塔互推对比风速，可以看出最终优化后模型的模拟风速与实测风速差距较小，模型质量较好。
表 2 测风塔互推结果验证
该项目投运后，通过收集2021年4月到2022年4月风场实发数据分析，统计剔除限电及故障损失小时数后项目平均等效利用小时数为2405.35小时，若当初设计阶段采用常规思路分析，推荐90m高度塔架，则本风电场小时数将会降低约400h。而正是源于风资源工程师在技术上的坚持，该项目真正实现了技术创造价值，向空间要资源！
表 3 实际发电量结果统计
编者按：随着国内风电行业的快速发展，可开发容量规模越来越受到关注，过去几年不同的机构均提出过通过提升塔架高度带来可开发容量的显著提升，尤其是在中东部平原大切变区域。但是除了上述已经为行业所熟知的区域，其他区域提升塔架高度效果如何尚未有太多案例。本篇关注到了复杂地形区域，而经过长期开发，山地复杂地形可开发区域的资源条件呈现出下降趋势，大量的资源因为收益不达标而被舍弃，另有部分资源处于开发临界边缘，如何盘活这样的项目对风资源从业者也提出了更高的要求，本篇介绍的项目正是通过前期风资源工程师深入分析找到提升收益的切入点去盘活项目，进而达到提高可开发容量的目的。金风科技的风资源团队将继续坚持磨炼内功，打牢基础，在疑难项目上敢为人先，用扎实的专业基础和敬业的工作精神，为客户持续打造优质项目保驾护航。
