四川省山地風(fēng)電場風(fēng)電機組選型要點分析

鐘 滔， 任 臘 春

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

根據(jù)國家氣象局早期繪制的全國風(fēng)能資源分布圖，四川屬于風(fēng)能資源貧乏區(qū)域。隨著風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計、制造及風(fēng)電場開發(fā)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)能資源開發(fā)區(qū)域和方式由三北(東北、華北、西北)地區(qū)集中式轉(zhuǎn)變成三北地區(qū)集中式和南方地區(qū)分散式相結(jié)合[1]，使得包括四川在內(nèi)的、原本認(rèn)為資源貧乏區(qū)域風(fēng)能資源也在一定程度上具備開發(fā)價值。2011年5月，四川省首個風(fēng)電示范項目——德昌一期示范工程實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，使得四川省成為第26個擁有風(fēng)電場的省份。截至目前，四川省已建成5個風(fēng)電場，總裝機規(guī)模達(dá)到21萬kW，正在開展前期工作的風(fēng)電場規(guī)模達(dá)到200萬kW。筆者結(jié)合四川省已建成的風(fēng)電場機組選型經(jīng)驗，對四川省山地風(fēng)電場機組選型要點進(jìn)行了分析與總結(jié)，以期對后續(xù)設(shè)計提供參考借鑒。

2 四川省風(fēng)能資源概況

四川省位于我國西南部，面積為48.5萬km2，地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地、四川盆地幾大地貌單元，是中國多山省份之一。地形以丘陵和高原山地為主，可分為四川盆地、四川盆地邊緣地區(qū)、西北高原、西南山地四部分，地勢總體上呈西北高、東南低，由西北向東南傾斜，相對高差顯著。四川省山地、高原和丘陵約占全省土地面積的97.46%。

四川省為全國風(fēng)能資源貧乏的省份之一，但由于其地域遼闊，地形復(fù)雜，風(fēng)能資源分布不均勻性明顯。盆地內(nèi)風(fēng)速甚小，西北部高原、北部、西南部山區(qū)部分地區(qū)以及東部小部分地區(qū)風(fēng)速相對較大,目前經(jīng)濟(jì)可開發(fā)的風(fēng)能資源主要分布在北部山區(qū)和南部高原山區(qū)及高山峽谷區(qū)域，包括涼山州、攀枝花、廣元、巴中等地區(qū)，北部區(qū)域內(nèi)海拔在900～2000 m，南部區(qū)域內(nèi)海拔在1 500 m以上，80 m高度多年平均風(fēng)速均在6 m/s以上(圖1)。從時間分布看，四川省大風(fēng)速主要集中在冬、春季節(jié)，即每年11月到次年5月；風(fēng)向穩(wěn)定，北部區(qū)域主風(fēng)向為N，南部區(qū)域主風(fēng)向為SW。總體來講，四川省南部和北部山區(qū)部分區(qū)域(廣元、巴中)風(fēng)能資源具備一定的開發(fā)價值。

圖1 四川省80 m高度年平均風(fēng)速分布圖

3 山地風(fēng)電場風(fēng)能資源特性

四川省風(fēng)能資源主要分布在南部和北部山區(qū)，風(fēng)電場地形條件復(fù)雜，可供布機的區(qū)域相對較少，多數(shù)位于山脊、峽谷地區(qū)，屬于典型的高原山地及高原峽谷風(fēng)電場；風(fēng)速在離地一定高度(60 m)后增加量很小甚至出現(xiàn)變小的情況；風(fēng)電場出現(xiàn)陣風(fēng)性情況較多，導(dǎo)致50 a一遇最大風(fēng)速偏大；地形復(fù)雜、地面附著物較多而導(dǎo)致湍流強度較大，部分區(qū)域可能超過最大設(shè)計值[2]；山脊局部坡度較大，導(dǎo)致入流角亦較大；由于地形條件復(fù)雜，測風(fēng)塔的代表性相對較差，代表區(qū)域較小，使用測風(fēng)塔數(shù)據(jù)推算出的各機位處的風(fēng)能資源特征參數(shù)和實際的誤差較大，尤其是湍流強度及50 a一遇最大風(fēng)速；地面附著物較多、地形起伏大而導(dǎo)致地表粗糙度較大，近地面處的風(fēng)速風(fēng)向受影響程度較大，并隨離地高度增加影響逐漸減弱[3～4]。這些特性決定了在進(jìn)行機組選型和布置時必須對其予以重視，以保證風(fēng)電機組穩(wěn)定、可靠運行。

4 風(fēng)電機組選型分析

四川省山地風(fēng)電場風(fēng)電機組的選型應(yīng)著重考慮所選風(fēng)電機組對風(fēng)能資源、氣候特征、交通運輸、施工、地質(zhì)等條件的適應(yīng)性，從而選擇出合適的機組安全等級、型式、單機容量、風(fēng)輪直徑及輪轂高度。

4.1 安全等級

在選擇機組安全等級時，常采用極端風(fēng)速、參考風(fēng)速、年平均風(fēng)速、湍流強度等，根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》(GB18451.1-2012)確定哪類機組適合擬建風(fēng)電場[5]。對于山地風(fēng)電場，一般陣風(fēng)性強，50 a一遇最大風(fēng)速相對較大，但換算到當(dāng)?shù)乜諝饷芏认禄径夹∮?7.5，如普格、會東、廣元等區(qū)域，這類區(qū)域適合選用IECⅢ及以上機型；風(fēng)電場湍流強度較大，一般都超過0.14，有些甚至超過0.16，因此應(yīng)選用安全等級為B級及以上機型。而對于高原峽谷風(fēng)電場，風(fēng)向穩(wěn)定，風(fēng)速較小，一般適合選用S型安全等級為B級及以上機型。其中50 a一遇的最大風(fēng)速計算時應(yīng)考慮各機位處的極端風(fēng)速；湍流強度應(yīng)以各機位輪轂高度處全風(fēng)速時段計算結(jié)果綜合判定風(fēng)電場湍流強度等級，而不能簡單地以某一個或幾個測風(fēng)塔輪轂高度處15m/s風(fēng)速時段計算結(jié)果判定。

4.2 型 式

由于風(fēng)能具有隨機性、不穩(wěn)定性等特征，因而變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)更能合理利用風(fēng)能[6]。目前，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中主流機型有雙饋風(fēng)電機組和直驅(qū)風(fēng)電機組兩類。雙饋風(fēng)電機組并網(wǎng)簡單、無沖擊電流、可實現(xiàn)功率因素的調(diào)節(jié)，輸出電能質(zhì)量較好，有較高的性價比，目前市場占有率較高；直驅(qū)風(fēng)電機組省去了齒輪箱，使得結(jié)構(gòu)更簡單、運行維護(hù)費用降低，可靠性相對較高且機組損耗降低，同等條件下上網(wǎng)電量有所提高，目前市場占有率漸漸提高。目前，國內(nèi)這兩類機型基本都具備低電壓穿越能力、有功、無功功率調(diào)節(jié)能力、對電網(wǎng)的適應(yīng)性能力等，各種特性均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)委批準(zhǔn)發(fā)布的《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，能實現(xiàn)批量生產(chǎn)并通過權(quán)威機構(gòu)監(jiān)測與認(rèn)證，滿足國家對風(fēng)電信息管理的要求。

根據(jù)四川省風(fēng)電場及風(fēng)能資源的特點，對于南部高原山區(qū)和北部部分山區(qū)可根據(jù)風(fēng)電場具體情況選用雙饋或直驅(qū)風(fēng)電機組；而對于高原峽谷地區(qū)，由于風(fēng)況復(fù)雜，附近居民可能較多，選用低風(fēng)速、低噪聲的直驅(qū)風(fēng)電機組有利于后續(xù)風(fēng)電場的運行管理。

此外，四川省山地風(fēng)電場海拔多集中在2 500～3 700 m，這些區(qū)域具有空氣稀薄、高濕、低溫、低氣壓、雪災(zāi)、凝凍、結(jié)冰、強雷暴、強紫外線等高原特性，因此必須選用高海拔機型。國內(nèi)主流機組廠家都致力于高原機型的研發(fā)制造，其主要是在常規(guī)機組基礎(chǔ)上進(jìn)行電氣設(shè)備降容、加強絕緣、改變控制策略、增加應(yīng)對裝置(如加熱除濕設(shè)備)、改變設(shè)備材料、優(yōu)化核心控制算法參數(shù)、增大風(fēng)輪直徑以及對連接部件密封性等進(jìn)行改進(jìn)。目前高原型風(fēng)電機組的研發(fā)已取得了一定成果，少數(shù)1.5 MW機型在四川省山地風(fēng)電場投入運行，但因其運行時間較短，機組適應(yīng)性有待進(jìn)一步分析；在高原峽谷風(fēng)電場機型相對較多且運行時間近三年，機組適應(yīng)性較好?？傮w來看，適應(yīng)四川省山地風(fēng)電場的高原機型還需進(jìn)一步研究開發(fā)。

4.3 單機容量

國內(nèi)外風(fēng)電場工程的經(jīng)驗表明：在風(fēng)電技術(shù)可行、價格合理的條件下，單機容量越大，越有利于充分利用土地和風(fēng)電場的風(fēng)能資源，整個項目的經(jīng)濟(jì)性就越高。目前陸上風(fēng)電場選用的風(fēng)電機組單機容量一般為1.5～2.5 MW。單機容量小的風(fēng)電機組運輸和安裝方便，但占用土地較多；而單機容量較大的風(fēng)電機組占地少，風(fēng)能利用充分，但其對運輸和安裝等的要求相對較高。

對于四川省山地風(fēng)電場，場址海拔較高，且與現(xiàn)有等級公路高差較大，部分風(fēng)電場高差達(dá)到了2 000m，需要修建較長的進(jìn)場公路；山脊不連續(xù)、起伏較大，適合布置風(fēng)電機組的位置相對較分散。為了減少風(fēng)電場進(jìn)場道路、場內(nèi)道路和集電線路長度，增加風(fēng)電場規(guī)模以提高風(fēng)電場經(jīng)濟(jì)性，在同等條件下選用單機容量大的風(fēng)電機組較為合理。對于山脊比較陡峭的區(qū)域，需綜合考慮安裝平臺以及機組基礎(chǔ)與邊坡邊緣的安全距離確定單機容量，這類風(fēng)電場選用的單機容量一般為1.5 MW，如芳地坪、拉馬和魯南風(fēng)電場；而對于山脊相對平緩的山地風(fēng)電場或高原峽谷風(fēng)電場，規(guī)模相對較大的風(fēng)電場可優(yōu)先考慮選用單機容量為2 MW和2.5 MW的機組，如大面山、德昌風(fēng)電場。

4.4 風(fēng)輪直徑

對于同一單機容量風(fēng)電機組，風(fēng)輪直徑是衡量風(fēng)力機捕獲風(fēng)能大小的重要參數(shù)。風(fēng)輪直徑越大，捕獲風(fēng)能越大，低風(fēng)速時更容易獲得更多的發(fā)電量。風(fēng)輪直徑大的機組對于四川省北部的山地風(fēng)電場及南部高原峽谷風(fēng)電場有較好的適應(yīng)性，使得原本不具備利用價值的風(fēng)能資源逐漸得到了開發(fā)利用；而對于陣風(fēng)性較強的風(fēng)電場，選用風(fēng)輪直徑較大的機組時應(yīng)綜合考慮安全等級等因素。另外，風(fēng)輪直徑的增加也需要考慮經(jīng)濟(jì)性，風(fēng)輪直徑越大，對應(yīng)葉片長度增加，從而使得葉片設(shè)計制造、運輸、安裝等成本增加。目前，在四川省山地風(fēng)電場實際運行的1.5 MW機組風(fēng)輪直徑最大達(dá)到了93 m、2 MW機組達(dá)到了105 m、2.5 MW機組達(dá)到了110 m。為解決葉片山區(qū)運輸困難問題，機組制造廠家一般都采取專用運輸車輛及液壓舉升裝置運輸方案。該方案通過支架舉升加偏擺的方式，可有效地避開高山峭壁、房屋建筑群，可減少葉片掃尾面積，從而大大降低了道路改造工程量，縮短了道路改造工期，減少了其對植被的破壞，提高了葉片運輸效率。

4.5 輪轂高度

市場上同一機組一般有1～3種輪轂高度可供選擇。具體到每個風(fēng)電場，應(yīng)根據(jù)風(fēng)電場的風(fēng)況特征、塔筒成本、運輸和安裝費用、基礎(chǔ)造價等方面分析不同輪轂高度的適應(yīng)性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，選擇合適的輪轂高度。

四川省不同地區(qū)山地風(fēng)電場風(fēng)能資源特性差異明顯。高山峽谷風(fēng)電場由于受地形的狹管效應(yīng)，風(fēng)速切變明顯，隨高度增加而增大，增加輪轂高度對于提高項目經(jīng)濟(jì)性具有一定的效果，如德昌安寧河谷風(fēng)電場第五期工程的輪轂高度在前四期的基礎(chǔ)上提高了10 m，達(dá)到了90 m，同等條件下發(fā)電量可提高6%左右，而投資僅增加2%。高原山地風(fēng)電場尤其是位于山脊埡口或山勢陡峭處容易形成負(fù)切變，如普格海口風(fēng)電場、昭覺特口甲谷風(fēng)電場等在離地60 m高度即出現(xiàn)負(fù)切變，這類風(fēng)電場輪轂高度就不宜過高，以防后續(xù)機組運行時造成風(fēng)輪不平衡而影響機組安全。而對于植被茂密或地面附著物較多的風(fēng)電場，輪轂高度應(yīng)增加一個置換高度[7],以減少這些障礙物對風(fēng)流的影響，從而確保資源評估的準(zhǔn)確性。同時，當(dāng)輪轂高度超過80 m時，為了運輸方便，一般建議廠家將分成四節(jié)，甚至五節(jié)。目前，四川省山地風(fēng)電場已采用的輪轂高度一般為65 m、70 m、80 m、85 m和90 m等幾種。

5 結(jié) 語

筆者對四川省山地風(fēng)電場風(fēng)能資源特性進(jìn)行了初步分析，在此基礎(chǔ)上，對山區(qū)風(fēng)電場機組選型要點進(jìn)行了分析總結(jié)，可為四川省山地風(fēng)電場后續(xù)建設(shè)提供借鑒。不同風(fēng)電場風(fēng)能資源、建設(shè)條件等各異，在機組選型時筆者建議必須依據(jù)實際情況作具體分析，尤其關(guān)注機型對風(fēng)電場的適應(yīng)性。

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作者簡介:

鐘 滔(1973-)，男，四川成都人，副處長，高級工程師，學(xué)士，從事風(fēng)電設(shè)備選型工作;

任臘春(1981-)，男，湖北浠水人，副主任，工程師，碩士，從事風(fēng)能資源評估.

(責(zé)任編輯：李燕輝)