風(fēng)力發(fā)電及其在水文站的應(yīng)用

裘勁松

（水利部南京水利水文自動化研究所, 江蘇 南京 210012）

0 前言

風(fēng)力發(fā)電是以風(fēng)能為動力的發(fā)電設(shè)備，稱之為風(fēng)力發(fā)電機。裝有 2 臺或多臺并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電站稱為風(fēng)力發(fā)電場，又簡稱為風(fēng)電場。

我國首個現(xiàn)代化風(fēng)電場于 1989 年建成，至今已有 20 多年了，尤其是近幾年，政府加大了對風(fēng)電事業(yè)的支持力度，風(fēng)電場更是不斷涌現(xiàn)，特別是在偏遠無電地區(qū)獨立運行或與光伏電池或與柴油機并聯(lián)運行的10 kW 級小型機組運用更為廣泛，在解決偏遠地區(qū)用電方面發(fā)揮了重要作用。而作為常規(guī)電網(wǎng)電源的大型風(fēng)力發(fā)電機組，其單機容量不斷擴大，技術(shù)日臻完善。這種新能源由于具有改善生態(tài)環(huán)境的突出作用，以及取之不盡、用之不竭的優(yōu)勢，正成為發(fā)展最快的清潔能源之一。

1 風(fēng)力發(fā)電相關(guān)概念

1.1 風(fēng)能資源

我國地處亞洲大陸東南部，瀕臨太平洋，位于東南季風(fēng)帶，海岸線長，而內(nèi)陸又多山，極易改變氣壓的分布。所以東亞和南亞季風(fēng)對我國影響很大，除此之外，在一些局部地區(qū)還會形成小氣候，會產(chǎn)生海陸風(fēng)、山谷風(fēng)等，這些風(fēng)由于受季節(jié)和日照影響較大，風(fēng)速在典型情況下可達 4～7 m/s。

我國東南沿海及其島嶼，1 年中平均每天風(fēng)速 ≥ 3 m/s 的時間大于等于 21 h；內(nèi)蒙古和甘肅北部以北地區(qū)，1 年中風(fēng)速 ≥ 3 m/s 的時間累計時數(shù)可達 7659 h，接近 320 d；黑龍江和吉林東部及遼東半島沿海，1 年中風(fēng)速 ≥ 3 m/s 的時間在 5000～7000 h 之間；在青藏高原北部，1 年中風(fēng)速 ≥ 3 m/s 的時間達 6500 h，但由于受空氣密度的影響，這里實際風(fēng)能比沿海地區(qū)小得多，這些地區(qū)風(fēng)能資源大，為風(fēng)能可利用地區(qū)。云貴川、甘肅、陜西南部、河南、湖南西部及福建、廣東、廣西的山區(qū)，西藏雅魯藏布江及新疆塔里木盆地地區(qū)風(fēng)能資源小[1]，為風(fēng)能不可利用地區(qū)。

1.2 風(fēng)力等級

風(fēng)力等級是風(fēng)速的數(shù)值等級，是表示風(fēng)強度的一種方法，風(fēng)越強，數(shù)值越大。按風(fēng)力的強度等級來估計風(fēng)力的大小，國際上采用“蒲福風(fēng)級”，目前從靜風(fēng)到颶風(fēng)分為 17 級（詳見蒲福風(fēng)力等級表）。風(fēng)力等級除查表外，還可以通過風(fēng)速與風(fēng)級之間的關(guān)系來計算風(fēng)速，計算關(guān)系式如下：

式中：N 為風(fēng)的級數(shù)；νN為 N 級風(fēng)的平均風(fēng)速。

2 風(fēng)能資源指標(biāo)

風(fēng)能資源在統(tǒng)計計算時，主要考慮風(fēng)況和風(fēng)功率密度。一般在選擇風(fēng)電場時，應(yīng)當(dāng)采用當(dāng)?shù)貧庀笈_、站所提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并且對初選的風(fēng)電場選址區(qū)根據(jù)地形采用高精度的測風(fēng)系統(tǒng)進行不少于 1 年的觀測，在對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算時，主要考慮風(fēng)況和風(fēng)功率密度。其中風(fēng)況包含：年平均風(fēng)速、風(fēng)速年變化、風(fēng)速日變化、風(fēng)速隨高度變化、風(fēng)向頻率玫瑰圖、湍流強度等 6 項指標(biāo)。

年平均風(fēng)速是最直觀簡單表示風(fēng)能大小的指標(biāo)之一；風(fēng)速年變化可以看出 1 年中各月風(fēng)速的大小，在我國一般是春季風(fēng)速大，夏秋季風(fēng)速小，這有利于風(fēng)電和水電的互補；風(fēng)速日變化有陸風(fēng)和海風(fēng) 2 種模式，陸地上一般白天午后風(fēng)速大，夜間風(fēng)速小，海面上一般白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大；風(fēng)速隨高度變化是指在近地層中，風(fēng)速和地面的粗糙度有關(guān)，一般粗糙的地面層中的風(fēng)速比光滑地面的風(fēng)速??；風(fēng)向頻率玫瑰圖可以確定主導(dǎo)風(fēng)向，對風(fēng)電場機組位置排列起到關(guān)鍵作用；湍流強度主要指風(fēng)速、風(fēng)向及其垂直風(fēng)量的迅速擾動或不規(guī)律性，湍流很大程度上取決于環(huán)境的粗糙度[1]；

風(fēng)能是空氣運動的動能，或每秒鐘在面積 S 上從以速度ν自由流動的氣流中所獲得的能量，即獲得的功率 W，計算方法如下：

式中：ρ為空氣密度；W為風(fēng)能；ν為風(fēng)速。

對于某一個地點來說，空氣密度為常數(shù)，當(dāng)面積一定時，則風(fēng)速是決定風(fēng)能多少的關(guān)鍵因素。

風(fēng)功率密度的計算，需要掌握所計算時間區(qū)間下的空氣密度和風(fēng)速，在近底層的風(fēng)能計算中風(fēng)速具有決定性的意義，但另一方面，由于我國地形復(fù)雜，空氣密度的影響也必須加以考慮，特別是在高海拔地區(qū)，影響更突出。

在國際“風(fēng)電場—風(fēng)能資源評估方法”中，將蘊含著風(fēng)速、風(fēng)速頻率分布和空氣密度的影響定為衡量風(fēng)電場風(fēng)能資源的綜合指標(biāo)，風(fēng)功率密度等級也給出 7 個級別，在 10、30、50 m 等 3 個高度條件下，7 個級別的風(fēng)功率密度和年平均風(fēng)速參考值的關(guān)系如表1 所示。

表1 風(fēng)功率密度和年平均風(fēng)速參考值的關(guān)系

從表1 可以看出，風(fēng)功率密度大于 150 W/m2、年平均風(fēng)速大于 5.6 m/s 的區(qū)域被認定為風(fēng)能資源可以利用區(qū)；在 10 m 高度年平均風(fēng)速大于 6.0 m/s，風(fēng)功率密度為 200～250 W/m2的區(qū)域被認定為較好風(fēng)電場；在 7.0 m/s時風(fēng)功率密度為 300～400 W/m2為很好風(fēng)電場[1]。

我國以東南沿海及其島嶼為我國最大風(fēng)能資源區(qū)，內(nèi)蒙古和甘肅北部以北廣大地帶為次大區(qū)，黑龍江和吉林東部及遼東半島沿海風(fēng)能也較大，青藏高原北部風(fēng)功率密度在 150～200（W/m2）之間，但由于其海拔高，空氣密度小，所以風(fēng)功率密度相對較小，其余地區(qū)風(fēng)能為季節(jié)利用區(qū)或不可利用區(qū)。

3 風(fēng)電場建設(shè)

3.1 風(fēng)電場的形式

風(fēng)電場有離網(wǎng)式和并網(wǎng)式，自發(fā)自用的風(fēng)電場稱為離網(wǎng)式；而由風(fēng)力發(fā)電設(shè)備產(chǎn)生的電能通過電纜經(jīng)箱式變電站將其電壓由 0.4 或 0.69 kV 升至 10 kV 后，再經(jīng)電纜輸送至風(fēng)電場的變電所，在變電所將電壓升高至 35 或 110 kV 后，經(jīng)高壓電網(wǎng)架空線路輸入公共電網(wǎng)，這種形式稱之為并網(wǎng)式。

3.2 風(fēng)電場位置的確定

風(fēng)電場的選擇要從宏觀和微觀 2 個方面進行，宏觀選址就是從一個大的區(qū)域進行選擇，可從以下幾個方面選擇：（1）風(fēng)能質(zhì)量好（包含，年平均風(fēng)速較高；風(fēng)功率密度大；風(fēng)頻分布好；可利用小時數(shù)高）；（2）風(fēng)向基本穩(wěn)定；（3）風(fēng)速變化小；（4）風(fēng)力發(fā)電機組高度范圍內(nèi)風(fēng)垂直切變要??；（5）湍流強度小；（6）盡量避開災(zāi)害性天氣頻繁出現(xiàn)地區(qū)；（7）交通方便；（8）對環(huán)境不利影響要??；（10）地形情況；（11）地質(zhì)情況；（12）地理位置。微觀選址就是在宏觀選址后確定的小區(qū)域范圍內(nèi)如何布置風(fēng)力發(fā)電機組，使整個風(fēng)電場具有較好的經(jīng)濟效益。平坦地形風(fēng)速不易發(fā)生突變，風(fēng)向也較為穩(wěn)定；山區(qū)地形的山丘、山脊、山谷、隘口等風(fēng)速風(fēng)向有時會發(fā)生突變，選擇風(fēng)電場時盡量避開。

3.3 風(fēng)力發(fā)電機組的排列方式

當(dāng)風(fēng)電場的位置確定后，就需考慮風(fēng)力發(fā)電機組的排列方式了，排列主要根據(jù)當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)向、機組的數(shù)量和場地綜合考慮，排列既不能過密也不能過疏，如果排列過密，風(fēng)力發(fā)電機組間的相互影響將會大幅度提高，年發(fā)電量將減少，并且產(chǎn)生的強紊流甚至有“卡門”渦街效應(yīng)，將使機組惡化受力狀態(tài)造成風(fēng)力發(fā)電機組振動，直至損壞；反之，如果排列過疏，年發(fā)電量增加很少，也增加了前期投資費用。

根據(jù)國外的試驗經(jīng)驗，風(fēng)力發(fā)電機組間距為其風(fēng)輪直徑的 10 倍時，風(fēng)力發(fā)電機組效率將減少20～30 %；20 倍距離時無任何影響。在考慮風(fēng)力發(fā)電機組的風(fēng)能最大捕獲率和場地、道路等前期投資的情況下，可適當(dāng)調(diào)整各風(fēng)力發(fā)電機組間間距和排列。在平坦地形和當(dāng)?shù)厥⑿兄黠L(fēng)向為 1 個方向或 2 個方向且相互為反方向時，風(fēng)力發(fā)電機組可采用矩陣方式分布。機組排列方向與盛行風(fēng)向垂直，前后 2 排錯位，機后排機組始終位于前排 2 臺機組之間。列距為 3～5 倍風(fēng)輪直徑，行距為 5～9 倍風(fēng)輪直徑。當(dāng)場地存在多個盛行風(fēng)向時，可依據(jù)場地和風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)量，機組排布可為“田”形或“○”形，此時風(fēng)力發(fā)電機組的間距應(yīng)相對大一些，通常取 10～12 倍的風(fēng)輪直徑或更大。

4 風(fēng)力發(fā)電在水文站的應(yīng)用

我國有很多水文站地處偏遠地區(qū)，站址所在地基礎(chǔ)設(shè)施嚴重不配套，使得有些適合建永久站的地方由于基礎(chǔ)設(shè)施跟不上，沒有電力供應(yīng)，而不得不放棄，要另選站址，或改為巡測方式。隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展，太陽能、風(fēng)力發(fā)電等供電技術(shù)也日漸成熟，價格不斷降低。這些發(fā)電技術(shù)占地不大，投資不多，技術(shù)成熟，維護簡便，尤其適用于那些遠離電網(wǎng)的地區(qū)。今后如果要在偏僻地區(qū)建設(shè)新的水文站，引電網(wǎng)電成本又高時，可以考慮采用這些離網(wǎng)式發(fā)電技術(shù)。在設(shè)計離網(wǎng)式發(fā)電站時，考慮到水文資料觀測的連續(xù)性，以及駐站人員生活的需要，對電力供應(yīng)的要求也相對較高，因此，可以采用風(fēng)力發(fā)電、柴油發(fā)電互補，或太陽能發(fā)電、柴油發(fā)電互補方式。

水文站的駐站人員一般不多，且生產(chǎn)和生活用電一般都是錯時。水文站的大型生產(chǎn)用電設(shè)備一般是纜道設(shè)備、烘箱、空調(diào)、照明等。在纜道設(shè)備中，用7 kW的電機就可以拖動 250 kg 的鉛魚（或泥沙采樣器），富裕的電力完全可以滿足其他設(shè)備的用電；生活用電有日常家用電器及空調(diào)等，因此，一般水文站的發(fā)電配置以 20～30 kW 的風(fēng)力發(fā)電機或 20～30 kW 的太陽能發(fā)電設(shè)備為主，10 kW 柴油發(fā)電設(shè)備為輔的離網(wǎng)式電站。

內(nèi)蒙古呼倫貝爾紅花爾基水利樞紐工程地處紅花爾基林業(yè)局，以供水、防洪為主，兼顧防凌、灌溉、發(fā)電于一體的大Ⅱ型水利樞紐工程，總庫容為 3.22 億 m3，通過 69 km 長的供水管道為伊敏電廠、魯能鄂溫克電廠提供工業(yè)用水，同時也為呼倫貝爾市提供生活備用水源。小孤山水文站是水庫的主要入庫流量控制站，地處小興安嶺的深處，屬高緯度地區(qū)，冬季寒冷漫長，且沒有市電。水文站設(shè)有木質(zhì)管理站房 1 座，距河邊 300 m 遠，在河邊建有纜道站房，內(nèi)有全自動水文纜道、水位雨量遙測站、泥沙分析設(shè)備、超聲波測深儀、手持式雷達測速儀和手持式測冰儀等設(shè)備，水文站常年有人駐守。由于沒有電，需要在水文站院內(nèi)建有發(fā)電室，用于保障水文站的生產(chǎn)和生活用電。

4.1 發(fā)電形式

根據(jù)小孤山水文站的實際情況，水文站的發(fā)電/供電采用以風(fēng)力發(fā)電為主，柴油發(fā)電為輔的發(fā)電/供電方式。當(dāng)有風(fēng)電時，供電系統(tǒng)自動采用風(fēng)電向外供電；當(dāng)沒有風(fēng)電時，系統(tǒng)自動將風(fēng)電切換到柴電，并向外供電。風(fēng)電和柴電的切換時間小于 8 s，當(dāng)風(fēng)電恢復(fù)后，系統(tǒng)又自動切換到風(fēng)電供電。整個系統(tǒng)由 1 臺 20 kW 柴油發(fā)電機、3 臺 10 kW 的風(fēng)力發(fā)電機組、3 組 240 V/400 A?h 的蓄電池組、3 臺風(fēng)力發(fā)電機充電控制器、2 臺逆變電源和 1 臺雙電源切換控制柜組成；供電部分采用 2 條回路，一條為 20 kW 回路，用于保證水文站的冬季供暖需要，另一條為 10 kW 回路，用于保證水文站的照明、生活和水文纜道設(shè)備用電。水文站發(fā)電/供電系統(tǒng)原理見圖1。

圖1 小孤山水文站發(fā)電/供電系統(tǒng)原理框圖

4.1.1 風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電由 3 臺風(fēng)力發(fā)電機組、3 臺充電控制器和 3 組 240 V/400 A?h 蓄電池構(gòu)成，風(fēng)力發(fā)電機組發(fā)出的電是 240 V、50 Hz 的交流電，通過充電控制器將交流電轉(zhuǎn)換為 240 V 的直流電，向蓄電池組充電，充電上限為 290 V，當(dāng)電池充滿后，則通過充電控制器中的卸荷器將發(fā)電機中仍在發(fā)出的電消耗掉，同時將風(fēng)力發(fā)電機的槳葉偏離，和當(dāng)時的風(fēng)向呈一定角度，使發(fā)電機組盡量少發(fā)電。充電控制器還具有檢測風(fēng)速、風(fēng)向的功能，當(dāng)風(fēng)向變換時，可以使風(fēng)機的機頭旋轉(zhuǎn)，讓槳葉迎風(fēng)，保證風(fēng)機的發(fā)電效率最大，機頭在充電控制器的控制下可做 360°旋轉(zhuǎn)；當(dāng)風(fēng)速超過風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計安全風(fēng)速或蓄電池的電已充滿時，充電控制器會使風(fēng)機的機頭偏轉(zhuǎn) 45°或 180°（指和當(dāng)時的風(fēng)向），以保證風(fēng)機的安全或蓄電池的安全。

4.1.2 電源變換

這里的電源變換是將 DC240 V 轉(zhuǎn)換為 AC220 V、50 Hz，完成轉(zhuǎn)換的是 2 臺逆變電源，一臺為 20 kW，另一臺為 10 kW，均為三相四線制輸出，原理框圖如圖2 所示。由于負載功率與放電時間有關(guān)，同時電池也會因低溫、高溫或損害而降低效率。當(dāng)電池放電至接近電池的臨界終止電壓時，會發(fā)出報警聲，同時指示燈會閃動，此時最好結(jié)束所有正在運行中的工作。當(dāng)電池耗盡后（≤210 V），逆變電源停止供電。當(dāng)電池電壓恢復(fù)（≥220 V），逆變電源會自動恢復(fù)。

4.1.3 電源切換

風(fēng)電/柴電自動切換控制柜有“手動”和“自動”2 種狀態(tài)，當(dāng)處于“自動”狀態(tài)時，首先檢測 2 臺逆變電源有無輸出，有輸出則系統(tǒng)采用風(fēng)電供電；若逆變電源無輸出，則風(fēng)電/柴電自動切換控制柜就會自動啟動柴油發(fā)電機，這時的發(fā)電/供電系統(tǒng)只給 20 kW 回路供電，保證水文站的供暖需要。

圖2 逆變電源原理框圖

當(dāng)發(fā)電/供電系統(tǒng)采用風(fēng)電向外供電時會出現(xiàn)以下情況，在系統(tǒng)采用蓄電池的儲能向外放電，這時室外也有風(fēng)，則蓄電池處于邊放電邊充電的狀態(tài)，就是我們?nèi)粘Ｋf的“浮充”狀態(tài)，當(dāng)外界風(fēng)停止時，則蓄電池中的電終有放完之時，這時就依靠逆變電源中的電池電壓檢測功能，當(dāng)電池組電壓低于 210 V 時，逆變電源停止輸出，處于待機狀態(tài)，當(dāng)電池組電壓恢復(fù)到 220 V 時，逆變電源又恢復(fù)輸出。

4.2 供電形式

我國 220/380 V 低壓配電系統(tǒng)，廣泛采用中性點直接接地的運行方式，而且引出有中性線（代號 N）、保護線（代號 PE）或保護中性線（代號PEN）。

低壓配電系統(tǒng)，按接地形式不同，分為 TN 、TT 和 IT 系統(tǒng)。TN 系統(tǒng)的特點就是中性點直接接地，所有設(shè)備的外露可導(dǎo)電部分均接公共的保護線（PE 線）或公共的保護中性線（PEN 線），這種接公共 PE 線或 PEN 線的方式，統(tǒng)稱“接零”，該系統(tǒng)適用于對安全要求及對抗干擾要求較高的場合。

在TN系統(tǒng)中又分TN-C系統(tǒng)、TN-S系統(tǒng)和TN-C-S系統(tǒng)。水文站管理站房和纜道站房均采用TN-C-S 系統(tǒng)，這種配電系統(tǒng)在國外應(yīng)用較為普遍，現(xiàn)在我國也開始推廣應(yīng)用。國家標(biāo)準 GB50096-1999《住宅設(shè)計規(guī)范》就規(guī)定：住宅供電系統(tǒng)“應(yīng)采用TT、TN-C-S 或 TN-S 接地方式”[3]。

接地裝置采用鍍鋅扁鋼沿基礎(chǔ)外敷設(shè) 1 圈，要求把總下水管、總給水管、電源進戶線管及建筑金屬結(jié)構(gòu)等所有進出的金屬體及建筑的金屬構(gòu)件與總等電位連接端子排聯(lián)通。

根據(jù)已建成的小孤山水文站風(fēng)力發(fā)電站的實際運行情況來看，發(fā)電機的裝機容量完全滿足水文站的生產(chǎn)和生活用電的需要，在沒有風(fēng)或風(fēng)力偏小，蓄電池中的蓄能不夠時，系統(tǒng)自動切換到柴油發(fā)電。從發(fā)電到供電都達到了設(shè)計要求。

4 結(jié)語

一些水文站地處交通不發(fā)達地區(qū)，有些新選建站地址無法接通市電，即使接通市電也是困難重重，費用很高，也有可能因為接電費用太高，而不得放棄建站或異地建站。在已建水文站中，有些由于缺乏電力而不得不使用手搖纜道測流的地方，只要條件允許也可以通過建離網(wǎng)式發(fā)電站提供電力，進而可以將手搖纜道改為電動纜道。

通過小孤山水文站離網(wǎng)式風(fēng)力發(fā)電站的建設(shè)，可以看出在風(fēng)能資源（或太陽能資源）允許的情況下，可建設(shè)一座小型的風(fēng)力（或太陽能）發(fā)電站，以滿足水文行業(yè)用戶的需求。

[1]宮靖遠. 風(fēng)電場工程技術(shù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008，5.

[2]王承煦，張源. 風(fēng)力發(fā)電[M]. 北京：中國電力出版社，2003，3.

[3]劉介才. 工廠供電 [M]. 北京： 機械工業(yè)出版社，2009，1.