風力發(fā)電機組選型實例分析

肖洪波

（沈陽鼓風機集團風電有限公司，沈陽 110869）

1 風力發(fā)電機組選型原則及步驟

風力發(fā)電機組按是否接入電網(wǎng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。我們所討論的風力發(fā)電機組均指并網(wǎng)型風力發(fā)電機組。目前并網(wǎng)型風力發(fā)電機組主要為水平軸、3 葉片、上風向、管式塔的統(tǒng)一模式。單機容量范圍為750 kW 到2 000 kW。以失速和控制方式分類，可分為失速型定槳定速機型、雙饋變速變槳機型、直驅永磁變速變槳機型。

1.1 各種機型的優(yōu)缺點

1）失速型定槳定速機型。失速型定槳定速機型的葉片安裝好以后不能轉動，靠葉片的失速來調(diào)節(jié)功率的輸出，額定風速較高，為非主流機型。其優(yōu)點是機械結構簡單，易于制造；控制原理簡單，易于實施；故障率較低。缺點是額定風速高，風輪轉換效率低；轉速恒定，機電轉換效率低；葉片復雜，重量大，制造較難，不宜作大風機。

2）雙饋變速變槳機型。變槳距技術主要解決了風能轉換效率低的問題。3 個葉片可以根據(jù)風速大小轉動，使風對葉片的攻角始終保持最佳角度，提高了風輪轉換效率。變槳距風力發(fā)電機組的優(yōu)點是并網(wǎng)簡單、無沖擊電流、可實現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)、輸出電能質(zhì)量較好、有較高的性價比，是目前風電行業(yè)的主流機型。缺點是變槳機構復雜，控制系統(tǒng)也較復雜，出現(xiàn)故障的可能性增加。

3）直驅永磁變速變槳機型。此機型是近幾年發(fā)展起來的新技術，技術已經(jīng)成熟，代表了未來風電技術的發(fā)展方向。直驅式風力發(fā)電機組是無齒輪箱的變槳距變速風力發(fā)電機組，采用永磁型發(fā)電機，定子與全功率變流器相接后與電網(wǎng)相連。優(yōu)點是沒有齒輪箱，減少了機械傳動損耗；發(fā)電效率高；受風速限制小，在低風速段出力更大［1］。缺點是電控要求高、運輸難度大、永磁體成本逐年上漲、變頻器的功率器件和冷卻功耗大。

1.2 影響風力發(fā)電機組選型的主要因素

1）風電場的風資源情況。根據(jù)輪轂高度的年平均風速、50 年一遇10 min 平均最大風速、湍流強度等將風力發(fā)電機組分為4 個等級，同時還有一個特殊設計的S 級。應根據(jù)場址的風況選擇安全等級的級別［2］。

2）風電場氣候條件。根據(jù)氣溫范圍確定選用高溫型、常溫型或低溫型機組。沿海地區(qū)，還應對防腐和絕緣性能提出特殊要求。

3）風電場的交通運輸條件。考察風電場周邊道路，判斷是否可以將葉片、塔筒和機艙等安全運抵風場。

4）單機容量。從經(jīng)濟效益的角度，盡量選用單機容量較大的、采用變槳變速技術的機型，以減少風力發(fā)電機組的數(shù)量，增加發(fā)電量，從而減少土地面積的占用和吊裝次數(shù)，提高經(jīng)濟效益［2］，同時避免將來因廠家停產(chǎn)而難以找到備品備件。大型機組一般采用了更高的輸出電壓。高電壓輸出能夠降低線損和電纜造價從而降低建設和運行成本。

5）價格。主要包括風力發(fā)電機組的價格及其基礎的費用。單機容量不同時還應比較配套設備和設施的費用。

6）售后服務。廠家有無專門的服務機構和服務設施，其他用戶對廠家的評價。

1.3 機型比選的方法步驟

1）考察交通運輸條件、安裝條件和風資源情況，確定風電場規(guī)劃容量和單機容量。

2）根據(jù)氣候條件，確定幾種備選機型。

3）用WAsP 和Windfarmer 軟件將幾種備選機型作初步布置，計算出其理論發(fā)電量。

4）對各備選機型及其配套費用作投資估算。其中風力發(fā)電機組的價格用最新的招標價格計算。

5）計算各備選機型的機組風輪單位面積性價比。

6）結合各備選機型的特征參數(shù)、結構特點、控制方式、成熟性、先進性、售后服務等進行綜合的技術經(jīng)濟比較，確定機型。

2 實例分析

2.1 某風場地形地貌

風電場處地勢平坦，地質(zhì)結構穩(wěn)定，屬于抗震有利地段，場區(qū)內(nèi)無礦產(chǎn)資源、文物遺存等。對風力發(fā)電機組的運輸和安裝沒有特殊的限制，可以運輸和安裝大型風力發(fā)電機組。

2.2 某風場風資源情況

1）測風塔代表年70m、80m、90m、100m 高度的全年平均風速分別為6.10 m/s、6.22 m/s、6.32 m/s、6.42 m/s；相應的風功率密度分別為244.3 W/m2、258.8 W/m2、272.3 W/m2、285.0 W/m2。風電場風功率密度等級為2 級，具有開發(fā)價值。

2）測風塔70 m 高度風能密度分布最大方向為N，頻率分別為12.7%，風能密度分布次大方向為NNW，頻率為12.5%?？傮w而言，70 m 高度的主風能方向為NW～N扇區(qū)SSW～WSW 扇區(qū)，所占頻率之和為65.9%。

3）根據(jù)氣象站多年氣象資料計算當?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.234 kg/m3。由測風塔的實測氣溫、氣壓數(shù)據(jù)，計算年平均空氣密度ρ為1.235 kg/m3。本項目選取由測風塔計算的空氣密度1.235 kg/m3對風場風能資源進行評估。

4）測風塔80m 高度，3～25 m/s 全年有效風速小時數(shù)在7735h 左右，有效風速利用小時數(shù)較長。

5）通過相關方程推算風場10 m 高度50 年一遇最大風速23.97 m/s。通過風場的大風風切變指數(shù)0.094，推算到風電場65 m、70 m、80 m、85 m 高度處50 年一遇最大風速分別為33.73 m/s、33.97 m/s、34.40 m/s、34.59 m/s。換算到標準空氣密度1.225 kg/m3下，分別為33.87 m/s、34.10 m/s、34.54 m/s、34.73 m/s。因此，根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1（2005）標準判定本風電場可選用Ⅲ類等級的風機。另外，風電場范圍內(nèi)風速為15 m/s 的湍流強度在50 m 高度以上都較小，低于0.12。因此，根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1（2005）標準判定本風電場可選用ⅢC 類等級的風機。

2.3 備選機型的選擇

根據(jù)風場的風資源特征和地形特征，考慮機組安裝和設備運輸條件，初步選擇WTG2000 和WTG1500 兩種風力發(fā)電機組代表機型，用WAsP10 和Windfarmer4.1.1.0分別對所選機型進行優(yōu)化布置。

WTG2000 和WTG1500 的主要技術參數(shù)見表1。

2.4 備選機型布置及發(fā)電量計算

利用WAsP 軟件計算風頻譜，分區(qū)域制作風資源柵格文件，將其導入Windfarmer 軟件中，考慮尾流損失，進行風力發(fā)電機組位置優(yōu)化和發(fā)電量計算［3］。再按35%折減系數(shù)計算折減后發(fā)電量（折減因素包括空氣密度修正、葉片污染、風電機組可利用率、線損、功率曲線和氣候影響停機等）。

表1 WTG2000 機型和WTG1500 機型技術參數(shù)對照表

比選風機年發(fā)電量計算結果和折減后的發(fā)電量見表2。

表2 WTG2000 機型和WTG1500 機型發(fā)電量計算結果對照表

2.5 備選機型經(jīng)濟性比較

依據(jù)上述計算結果，對兩種比選機型進行經(jīng)濟性對比，對比結果見表3。

表3 WTG2000 機型和WTG1500 機型經(jīng)濟性比較

在技術水平相當?shù)那闆r下，在分析現(xiàn)有風資源數(shù)據(jù)的基礎上，從能力指標和經(jīng)濟指標兩個方面對WTG2000和WTG1500 進行綜合比較，由表3 的對比結果可見，WTG1500 機型略優(yōu)于WTG2000 機型。

3 結論

風電場風力發(fā)電機組選型是風電場設計的重要工作之一。本文首先簡要介紹了風力發(fā)電機組的分類和各類機型的優(yōu)缺點，然后概括了風電場開發(fā)初期影響風力發(fā)電機組選型的主要因素和機型比選的方法步驟，最后以某風電場為實例，進行計算分析，選擇兩種比選機型，在技術、能量和經(jīng)濟性幾個方面分別進行比選，最終得出本階段的推薦機型。

［1］張文寶，王友.風電場不同機組技術經(jīng)濟性的分析［J］.能源技術經(jīng)濟，2011，23（3）：48.

［2］李建春.風力發(fā)電機組選型因素探析［J］.甘肅科技，2010，26（4）：110.

［3］馮賓春，楊鋒.風電場機組布局優(yōu)化［J］.水利水電技術，2009，40（9）：78.