影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的因素

文 | 許剛，任寶

影響風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的因素

文 | 許剛，任寶

風(fēng)能是一種無(wú)污染、可再生的清潔能源，風(fēng)力發(fā)電作為電力工業(yè)電源的一部分，已經(jīng)歷了 30 余年的發(fā)展。并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)興起于20世紀(jì)80年代，并迅速實(shí)現(xiàn)了商品化、產(chǎn)業(yè)化，作為一項(xiàng)新的能源技術(shù)開(kāi)始受到更多國(guó)家的重視。在近10年內(nèi)，我國(guó)的風(fēng)電技術(shù)也在不斷成熟和完善，已成為第三大主力電源，對(duì)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)節(jié)能減排的作用日益凸顯。

風(fēng)電的經(jīng)濟(jì)效益與機(jī)組發(fā)電量是直接掛鉤的，影響發(fā)電量的因素也是多方向性的，因此在風(fēng)電場(chǎng)選址建設(shè)到運(yùn)行維護(hù)必須以評(píng)估的客觀因素為準(zhǔn)則。機(jī)組在正常運(yùn)行狀態(tài)由于受到天氣和人為因素的影響，實(shí)際發(fā)電量與理論相比存在差別，為使風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后能達(dá)到最好經(jīng)濟(jì)效益，就要具體分析影響機(jī)組發(fā)電量的主要因素。本文結(jié)合寧夏賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際情況就相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行闡述分析。

風(fēng)能資源

因風(fēng)能資源具有差異性大的特點(diǎn)，所以對(duì)年發(fā)電量的影響甚大。如賀蘭山某風(fēng)電場(chǎng)2003年可行性研究報(bào)告上推算的年平均風(fēng)速為7.7m/s，3m/s－10m/s的風(fēng)速占65.1%，17m/s以上的風(fēng)速為1%，年發(fā)電小時(shí)2700小時(shí)。但在10年的實(shí)際運(yùn)行中，平均風(fēng)速均低于7.7m/s，在全年大風(fēng)月3、4、 5月份的平均風(fēng)速分別為7m/s、6.4m/s和 5.88m/s。由于評(píng)估報(bào)告中沒(méi)有客觀測(cè)量數(shù)據(jù)，因此，實(shí)際發(fā)電小時(shí)數(shù)小于2000小時(shí)。2015年4月為賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)全年大風(fēng)月，平均風(fēng)速在7.2m/s，1萬(wàn)千瓦機(jī)組發(fā)電量在220萬(wàn)千瓦時(shí)左右；2015年9月是全年小風(fēng)月，平均風(fēng)速僅4.5m/s左右，1萬(wàn)千瓦機(jī)組發(fā)電量在100萬(wàn)千瓦時(shí)左右。由以上數(shù)據(jù)可以看出，風(fēng)能資源對(duì)發(fā)電量的影響很大，因此，建設(shè)大型風(fēng)電場(chǎng)的首要前提是選擇風(fēng)資源較好的地方。

風(fēng)能密度是決定風(fēng)能潛力大小的重要因素。風(fēng)能密度和空氣密度有直接關(guān)系，而空氣密度則取決于氣壓和溫度。因此，不同地方、不同條件的風(fēng)能密度是不同的。一般說(shuō)，海邊地勢(shì)低、氣壓高，空氣密度大，風(fēng)能密度也就高。在這種情況下，若有適當(dāng)?shù)娘L(fēng)速，風(fēng)能潛力自然大。高山氣壓低，空氣稀薄，風(fēng)能密度就小一些。所以說(shuō)，風(fēng)能密度大，風(fēng)速又大，則風(fēng)能潛力最好。

有效風(fēng)能密度是氣流在單位時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)單位面積的風(fēng)能，它是描述一個(gè)地方風(fēng)能潛力最實(shí)用、最有價(jià)值的量。在實(shí)際利用中，除去那些不能使機(jī)組啟動(dòng)或運(yùn)行的風(fēng)速和破壞性風(fēng)速，其余的有效風(fēng)能密度將對(duì)發(fā)電量影響很大。賀蘭山某風(fēng)電場(chǎng)的有效風(fēng)能密度為162kW·h/m2，2012年11月份平均風(fēng)速為6.52m/s，1萬(wàn)機(jī)組發(fā)電量在185萬(wàn)千瓦時(shí)左右。

微觀選址的影響

風(fēng)電場(chǎng)微觀選址是在宏觀選址選定的小區(qū)域中確定機(jī)組的分布位置，以使整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)具有更好經(jīng)濟(jì)效益的過(guò)程。微觀選址比較復(fù)雜，考慮的影響也是多方向性的，同樣的機(jī)組在不同地區(qū)由于受局部風(fēng)速的影響，發(fā)電量也有很大差別。場(chǎng)址選擇對(duì)風(fēng)能利用的預(yù)期目標(biāo)能否實(shí)現(xiàn)起著關(guān)鍵性的作用。如果場(chǎng)址選擇不合理，即使性能優(yōu)異的機(jī)組也不能很好地發(fā)電，更有甚者，由于選址不正確，很可能導(dǎo)致設(shè)備的損壞。因此，如何在風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)合理地布置機(jī)組，得到最大的發(fā)電量，獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，一直是微觀選址工作的焦點(diǎn)。

以賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)同型號(hào)機(jī)組為例，108號(hào)機(jī)組與107號(hào)機(jī)組安裝在同一主風(fēng)向上，且107號(hào)機(jī)組位于上風(fēng)向，地勢(shì)高于108號(hào)機(jī)組15m左右，兩臺(tái)機(jī)組相距500m，滿足機(jī)組安裝設(shè)計(jì)要求（間距大于葉輪直徑5倍）。2012年，107號(hào)機(jī)組平均可利用率是96.49%，108號(hào)機(jī)組平均可利用率是99.52%，但發(fā)電量分別為134萬(wàn)千瓦時(shí)和108萬(wàn)千瓦時(shí)，107 號(hào)機(jī)組發(fā)電量是108號(hào)機(jī)組的124%；7 號(hào)機(jī)組和12號(hào)機(jī)組處一排，但12號(hào)機(jī)組因靠山比較近，受山坡風(fēng)影響，該機(jī)組在2012年的發(fā)電量為177萬(wàn)千瓦時(shí)，年平均風(fēng)速為5.8m/s，7號(hào)機(jī)組的發(fā)電量為148萬(wàn)千瓦時(shí)，年平均風(fēng)速5.5m/s。因此，局部選址不同對(duì)同一個(gè)風(fēng)電場(chǎng)同型號(hào)機(jī)組影響也很大。

在具體微觀選址時(shí)也要考慮機(jī)組之間的相互影響，不同廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)機(jī)組之間的相互距離要求均不相同。微觀選址還要考慮地面粗糙度和山地等地形的影響，區(qū)域資源的評(píng)估也必須是多方位的。一個(gè)大型風(fēng)電場(chǎng)比較合理的布局是點(diǎn)狀布置，而且對(duì)每一個(gè)安裝點(diǎn)進(jìn)行測(cè)風(fēng)計(jì)算和評(píng)估，這對(duì)消除機(jī)組之間的紊流等影響很有必要。賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)是一個(gè)大型的風(fēng)電場(chǎng)，已經(jīng)安裝226臺(tái)機(jī)組，出于整體布局考慮，機(jī)組布局采用平行布置，這樣處于主風(fēng)向的上風(fēng)向機(jī)組發(fā)電量明顯高于下風(fēng)向的機(jī)組，安裝在山脊機(jī)組發(fā)電量高于安裝在山谷的機(jī)組。風(fēng)電場(chǎng)微觀選址，應(yīng)以充分、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為機(jī)位評(píng)估與優(yōu)化的依據(jù)，依靠科學(xué)手段，通過(guò)對(duì)各種因素的綜合考慮，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)的最優(yōu)選址，從而使風(fēng)電場(chǎng)產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。

機(jī)組選型的影響

在單機(jī)容量相同的情況下，不同廠家、不同型號(hào)的機(jī)組在同一風(fēng)能資源風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量有明顯區(qū)別。在賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)，17m/s以上的風(fēng)速占1%， 在2014年 至2016年24個(gè)月，其間的最大風(fēng)速出現(xiàn)在2014年4月，為28.99m/s，并且該風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速通過(guò)了西北電力勘測(cè)院、Vestas公司、Gamesa公司的計(jì)算論證，G58、G52和V52三種型號(hào)機(jī)組在賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)均有安裝（三種機(jī)型均為變漿距850kW 雙饋異步機(jī)型）。在2015年某月內(nèi)平均發(fā)電量為126萬(wàn)千瓦時(shí)、112萬(wàn)千瓦時(shí)和114萬(wàn)千瓦時(shí)，不同型號(hào)機(jī)組的發(fā)電量比為1.1：1：1。統(tǒng)計(jì)該風(fēng)電場(chǎng)4月17日到30日的13號(hào)機(jī)組至24號(hào)機(jī)組的日發(fā)電量， 其中6臺(tái)G58在14天中的發(fā)電量為52.76萬(wàn)千瓦時(shí)，6臺(tái)G52在14天中的發(fā)電量為47.36萬(wàn)千瓦時(shí)，G58的發(fā)電量比G52多5.4萬(wàn)千瓦時(shí)，多發(fā)電量占G52發(fā)電量的11.4%。同樣統(tǒng)計(jì)6月份的19號(hào)機(jī)組至24號(hào)機(jī)組的日發(fā)電量，其中3臺(tái)G58在全月中的發(fā)電量為46.73萬(wàn)千瓦時(shí)，3臺(tái) G52在全月的發(fā)電量為41.59萬(wàn)千瓦時(shí)，G58的發(fā)電量比G52多12.35%。由以上數(shù)據(jù)可以看出，G58的發(fā)電量比G52多11.5%左右，全年G58和G52的利用小時(shí)數(shù)按2000小時(shí)和1800小時(shí)計(jì)算，直接經(jīng)濟(jì)差別100萬(wàn)元左右。

其他因素的影響

一、人為因素

1.機(jī)組的可利用率影響

賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)2014年上半年的機(jī)組可利用率為98.89%，故障時(shí)間占1.11%，全年故障時(shí)間按1.2的系數(shù)修正，故障時(shí)間占發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)間的1.34%。因?yàn)闄C(jī)組剛投運(yùn)，各類電器設(shè)備未老化，故障率比較低，機(jī)組的正常故障停機(jī)時(shí)間大約在2.5% 左右，1萬(wàn)機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)按2700小時(shí)計(jì)算，其中故障影響的發(fā)電小時(shí)數(shù)約在67小時(shí)左右。

2.機(jī)組檢修時(shí)間的影響

如賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)第二季度檢修（包括機(jī)組檢修和線路檢修），7號(hào)－12號(hào)機(jī)組檢修總累計(jì)時(shí)間為 441小時(shí)，單臺(tái)平均時(shí)間73.5小時(shí)，每年4個(gè)季度累計(jì)檢修時(shí)間在294小時(shí)。若機(jī)組檢修時(shí)間變化按+10%的范圍內(nèi)計(jì)算，一年檢修時(shí)間約在300小時(shí)，占全年發(fā)電時(shí)間的3.42%。按年發(fā)電小時(shí)數(shù)270小時(shí)計(jì)算，其中檢修影響的發(fā)電小時(shí)數(shù)為92小時(shí)左右。

二、電網(wǎng)因素

由于機(jī)組直接接入電網(wǎng)，并且不能對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)解，一旦電網(wǎng)發(fā)生故障，機(jī)組會(huì)自動(dòng)與電網(wǎng)解裂，同時(shí)電網(wǎng)維修這段時(shí)間也會(huì)造成機(jī)組停機(jī)。近年來(lái)，由于風(fēng)電裝機(jī)容量不斷攀升，電網(wǎng)建設(shè)未能滿足全部接入要求，因此電網(wǎng)為確保安全運(yùn)行，對(duì)風(fēng)電企業(yè)進(jìn)行限負(fù)荷，尤其在西北、東北和內(nèi)蒙古地區(qū)，不僅用電負(fù)荷受經(jīng)濟(jì)因素制約，而且風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)比較集中，經(jīng)常會(huì)因電網(wǎng)對(duì)風(fēng)電無(wú)法全部消納而造成大面積停機(jī)。

三、突發(fā)事件

2015年6月21日，賀蘭山風(fēng)電場(chǎng)517南風(fēng)02線電纜頭因?yàn)橄掠瓿睗?，電纜頭絕緣擊穿造成線路故障，造成1萬(wàn)機(jī)組停運(yùn)40小時(shí)。2015年8月2日，因雷電擊中10kV線路，線路保護(hù)跳閘，造成2萬(wàn)機(jī)組停運(yùn)6小時(shí)。平均每年各類突發(fā)事件按60小時(shí)計(jì)算，此類問(wèn)題的影響占全年運(yùn)行時(shí)間的0.68%，1萬(wàn)機(jī)組發(fā)電小時(shí)數(shù)按2700小時(shí)計(jì)算，一年突發(fā)事件對(duì)發(fā)電小時(shí)數(shù)的影響為18小時(shí)左右。

總結(jié)

綜上所述，風(fēng)力發(fā)電是一項(xiàng)復(fù)雜的綜合學(xué)科，為使風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)后能達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益，從宏觀布局到微觀選址，從機(jī)組選型到電網(wǎng)消納都要統(tǒng)籌考慮，避免造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

（作者單位：寧夏天凈神州風(fēng)力發(fā)電有限公司）