風電場節(jié)能管理措施研究

舒 彤 方海鵬

1.申能股份有限公司

2.上海申能新能源投資有限公司

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的加速和提質(zhì)，節(jié)能工作的內(nèi)涵和外延也相應發(fā)生變化。在火電等傳統(tǒng)能源生產(chǎn)領(lǐng)域，由于煤炭、天然氣、石油等一次能源稀缺性強，具有污染等負外部性，獲取和補償?shù)某杀靖?，?jié)能已成為火電企業(yè)常抓不懈的重要日常工作。風、光等新能源，由于具有清潔、低碳、可再生的特征，其開發(fā)利用已是本質(zhì)節(jié)能，因此可再生能源的節(jié)能工作往往不被重視。

風力資源是可再生能源領(lǐng)域中最具商業(yè)化規(guī)模開發(fā)的能源，是我國鼓勵和支持開發(fā)的清潔能源，也是推進能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應對氣候變化的重要途徑。經(jīng)過多年培育引導，我國風電已進入階躍式發(fā)展階段。一方面，隨著大規(guī)模開發(fā)，曾經(jīng)看似無時不有、無所不在的風資源正在變得稀缺；另一方面，補貼退坡、“風、火同價”、“平價上網(wǎng)”、“競爭性配置”等政策導向也給風電開發(fā)帶來新的挑戰(zhàn)。在新形勢下，風電節(jié)能工作的必要性也日益顯現(xiàn)。

從廣義上說，風電場的節(jié)能管理工作貫穿建設(shè)運行的全過程。例如通過對微觀選址、系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)化，讓有限的風能場址發(fā)揮更大的效能，屬于開發(fā)階段的“開源”式節(jié)能工作。狹義的風電場節(jié)能工作，主要在運行維護環(huán)節(jié)，屬于“節(jié)流”式節(jié)能工作，原理上與火電節(jié)能工作有相似之處，也是通過消耗較少（同等）能量得出同等（較多）功效，合理降低度電成本，依靠降本增效提高風電場的經(jīng)濟收益和競爭力。

1 風電場節(jié)能管理要點

1.1 風電場能源消耗

風電場的主要能源消耗是風能、電能、汽(柴)油。其中，風能是一種可再生能源，通常并不把風能的消耗統(tǒng)計在內(nèi)，通過技術(shù)更新等手段提高風能利用效率，更多視作為一種技術(shù)增產(chǎn)。如果忽略檢修車輛工作消耗的汽(柴)油，風電場綜合能耗主要關(guān)注電力消耗，即維持風電場正常運行的生產(chǎn)用電、運維人員生活用電的廠用電。風電場一般綜合廠用電率為3%～5%。

1.2 風電場節(jié)能路徑

風電場的電能由風力發(fā)電機組生產(chǎn)，一般經(jīng)由690V低壓電纜、箱式變壓器、集電線路，經(jīng)主變壓器(及無功補償裝置)接入電網(wǎng)。風電場用電和有功損耗主要有變壓器、輸電線路、風機機組和站內(nèi)用電。

1.2.1 變壓器節(jié)能

變壓器運行中的功率損耗可分為兩部分：一部分為空載損耗即鐵損，另一部分為負載損耗，簡稱銅損。

1）設(shè)計階段節(jié)能

（1）合理選擇變壓器容量。不宜選過大容量的變壓器，因為“大馬拉小車”現(xiàn)象將引起空載損耗增加；也不宜選容量過小的變壓器，當變壓器負載過大，將使變壓器負載損耗增大。通常，電力變壓器在50%～70%額定負載區(qū)間運行時其效率最高。

（2）選用先進材料的變壓器?？蛰d損耗與鋼片厚度息息相關(guān)，其厚度越小損耗越小，但鋼片厚度小到一定程度時空載損耗反而增加。因此，在設(shè)備選型階段，材質(zhì)上優(yōu)先考慮采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片、非晶合金。負載損耗與繞組電阻有關(guān)，材質(zhì)上應優(yōu)先選擇電阻較低的材料。

（3）選用節(jié)能型變壓器。S11節(jié)能變壓器由于其卷鐵芯改變了傳統(tǒng)的疊片式鐵芯結(jié)構(gòu)。鐵芯無接縫，減少了鐵芯距離，大幅減少了磁阻，S11變壓器與S9變壓器相比,空載損耗平均降低約30%，見表1。

S11-2000型變壓器空載損耗為1 950W，而S9-2000型變壓器空載損耗為2 900W。以風場配置30臺箱式變壓器為例，采用S11型的風場每年僅空載損耗節(jié)約電量可達25萬k Wh，每年節(jié)省近15萬元。按箱式變壓器20年的使用壽命計算，S11型單臺變壓器在全壽命周期內(nèi)節(jié)約的電費約為10萬元，而且S11型與S9型變壓器差價通常在5萬以內(nèi)，經(jīng)濟性突出。

表1 S9型/S11型變壓器參數(shù)

（4）提高功率因素，選用合適的無功補償裝置。變壓器負載損耗的大小取決于變壓器負載率和功率因數(shù)。不同的功率因數(shù)引起的變壓器的有功和無功消耗也不相同，即隨著功率因數(shù)的提高，變壓器的有功和無功消耗均會下降。因此，合理地配置無功補償裝置，改變無功潮流分布，可提高功率因數(shù)，減少通過變壓器傳輸?shù)臒o功功率，減少變壓器損耗。目前的無功補償裝置，通常是按主變?nèi)萘康?0%進行配置，此類配置存在“大馬拉小車”造成浪費，或者“力不從心”降低了功率因素，造成損耗增加。

2）運行階段節(jié)能

變壓器在運行時，三相不平衡越大損耗也越大，電壓負載損耗也會隨著變壓器電壓負載的變化而產(chǎn)生變化，導致變壓器的有功損耗增加。目前，風電機組業(yè)主加裝了額外的設(shè)備，如監(jiān)視系統(tǒng)、振動裝置、油品精濾等。此外，風電機組內(nèi)部也存在很多220V單項電源用電設(shè)備，當負載不均勻，會造成電流不平衡，使風機的干式變壓器損耗增加。在日常運行使用中，應做好定期測量和檢查工作，及時發(fā)現(xiàn)三相不平衡情況，并做好相關(guān)調(diào)整。

變壓器負載損耗隨著電壓的變化而變化，電壓增加，負載損耗將減少。雖然空載損耗隨著電壓的增大而增大，但其增加幅度很小，通常將其視為固定損耗，不考慮其變化量。因此，在滿足電網(wǎng)電壓的前提下，可進行優(yōu)化選擇變壓器檔位，盡可能維持高電壓，降低變壓器損耗，提高其運行效率。

1.2.2 輸電線路

輸電線路主要是電力電纜。電力電纜的電能損耗在風電場綜合電力損耗中占的比重較大，尤其是電力線路較長的海上風電，其輸電電路的電能損耗甚至占到綜合損耗的35%～45%。因此，在設(shè)計階段減少電纜長度是重中之重，避免電纜路徑迂回，升壓（變電站）選址盡量靠近風場中心位置，深埋的電纜可以考慮采用抬升套管，減少電纜長度。

此外，對于電力電纜，應優(yōu)先選用交聯(lián)聚乙烯絕緣（X L P E）電力電纜，該電纜與同截面的電纜交聯(lián)聚氯乙烯相比其絕緣效果更好，絕緣容許載流量大，損耗相對更小。

在運行階段，電力電纜基本同變壓器一樣。隨著電壓的增大，線路損耗隨之降低。為此，在條件允許的前提下，盡可能維持高電壓，降低輸電線路損耗。

1.2.3 風機自耗電

風力發(fā)電機組中自耗電的增加主要是風電機組內(nèi)的輔助設(shè)備用電。不同風機機組每個設(shè)備的情況也不相同，一般輔助設(shè)備的總耗電量為機組功率的5%左右，耗電量也是較為可觀的。

其中風力發(fā)電機組中耗電量較大的設(shè)備是發(fā)電機冷卻系統(tǒng)、齒輪箱油泵系統(tǒng)。而其他各類電機和電子器件在正常工作的條件下整體耗電量相對較小，見表2。

表2 設(shè)備運行狀態(tài)下的耗電量

風機增加的自耗電主要在機艙內(nèi)部設(shè)備的降溫，如能對機艙進行改造，改善運行工況，或利用塔筒的負壓效應，將機艙的頭、尾、塔筒貫通，形成機艙內(nèi)的自然強排風，將能有效地降低機艙內(nèi)的溫度，從而降低風機自耗電。以上設(shè)想尚需結(jié)合實際情況進行計算驗證。

在實際運行過程中，發(fā)電機冷卻系統(tǒng)和齒輪箱冷卻系統(tǒng)也存在參數(shù)設(shè)置不合理導致電量浪費的情況。有些型號的風機，在風機處于待機狀態(tài)時，已啟動了發(fā)電機和齒輪箱的冷卻系統(tǒng)，而此時設(shè)備溫度和環(huán)境溫度并不高，可滿足設(shè)備正常運行。由設(shè)備制造方將冷卻系統(tǒng)啟動參數(shù)調(diào)整至合理狀態(tài)，也將有效地降低冷卻系統(tǒng)耗電。

齒輪箱油泵節(jié)能也存在的空間。齒輪箱油泵經(jīng)常會多注齒輪油，由此，一方面導致油脂溢出，臟污平臺。同時，頻繁的啟動也會造成電能浪費。在實際運行中，應根據(jù)不同季節(jié)風電場的運行特性，靈活調(diào)整油泵參數(shù)，以減少潤滑油脂的消耗和電量損耗。

風電場風機的理論切入風速和實際并網(wǎng)風速存在偏差，較多時段的理論切入風速并不能達到并網(wǎng)條件，風機啟動后不能并網(wǎng)發(fā)電。此時，還需從電網(wǎng)吸收電能，造成設(shè)備磨損。形成電能損耗。由于空氣密度會影響風能，而風機設(shè)計的切入風速值是生產(chǎn)廠商根據(jù)固定的空氣密度設(shè)計的。但是在夏天、冬天和潮濕氣候時的空氣密度不盡相同。因此，可以考慮根據(jù)現(xiàn)場實際情況，按季節(jié)調(diào)整風機的切入風速，增產(chǎn)減耗。例如冬季潮濕季節(jié)可以調(diào)低切入風速，而夏季、干燥季節(jié)調(diào)高切入風速。根據(jù)現(xiàn)場的運行經(jīng)驗，調(diào)節(jié)幅度可以達±0.2m/s，經(jīng)濟效果較好。

1.2.4 風電場無功補償運行方式節(jié)能

在風電場運行期間，根據(jù)電網(wǎng)要求，需對風電場整場進行無功補償。目前電網(wǎng)要求配備20%容量的SVG設(shè)備，但SVG投運后損耗較大，為合理節(jié)能，可通過風機功率因素調(diào)節(jié)進行部分無功補償，從而減少SVG的損耗，具體案例如下：

以某5萬k W風電按滿負荷情況進行計算，110k V主變無功損耗為5 400k Var，24臺箱變?yōu)? 530 k Var，集電線路充電功率為-570 k Var，集電線路無功損耗為4 100 k Var，總無功損耗為11 460 k Var。

方案一：通過風機功率因素控制（0.99），機組可發(fā)無功-6 816 k Var，SVG投切補償-4 644 k Var，SVG損耗為75k W。

方案二：不通過風機功率因素控制，機組不發(fā)無功，SVG投切補償11 460k Var，SVG損耗為354k W。

方案一較方案二節(jié)省耗功率279k W,按全年風電場等效小時數(shù)2 200小時計算，每年可節(jié)省電量61.38萬k Wh。

由上述案例可見，風電場通過風機功率因素調(diào)解，從而減少SVG設(shè)備投切補償容量，可減少SVG設(shè)備損耗，達到了節(jié)能效果。

1.2.5 站內(nèi)節(jié)能

站內(nèi)節(jié)能，主要是設(shè)計階段的建筑節(jié)能和運行期間的節(jié)能管理。建筑物節(jié)能主要是空調(diào)和采暖的保溫?？照{(diào)、采暖能耗在建筑物能耗中約占60%～70%。因此，空調(diào)及采暖能耗的管理，將是建筑物節(jié)能的最大收益。因此，在建筑物設(shè)計和施工時，應采用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料。建筑物底層下鋪設(shè)防潮和保溫層，外墻采用保溫材料，屋面鋪設(shè)巖棉等做屋面保溫。門窗采用節(jié)能門窗，例如：窗框采用斷橋鋁、玻璃采用雙層真空玻璃、大門夾層采用保溫材料。砌塊使用空心加氣磚等。在設(shè)計時，合理布置水管、電力管道，提高采暖、制冷、照明、通風、給排水和管道系統(tǒng)的運行效率。

運行期間的節(jié)能管理，一是加強照明、空調(diào)、冷熱水器的管理使用。二是考慮使用節(jié)能設(shè)備，如節(jié)能空調(diào)、空氣能熱水器，在部分上網(wǎng)電價較高的風電場，也可以架設(shè)一些分布式太陽能光伏板，自發(fā)自用。

2 總結(jié)和展望

以上主要從微觀層面對現(xiàn)有風電場設(shè)備的節(jié)能空間進行梳理，相對于規(guī)劃、設(shè)計、開發(fā)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性優(yōu)化，以及運用靈活多樣的調(diào)度、交易手段減少棄風、擴大產(chǎn)能等措施所帶來的廣義節(jié)能效果，幾乎不可同日而語，但任何產(chǎn)業(yè)都應信奉不以善小而不為理念，主動積極地降本增效，只有這樣，才會在日益嚴峻的競爭中取得先機。

隨著風力發(fā)電的發(fā)展方式從數(shù)量到質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，建議進一步重視風電場節(jié)能的技術(shù)經(jīng)濟研究，重點關(guān)注新興的“智慧風場”、“智慧風機”。研發(fā)廣域式新能源感知、全景式新能源功率預測、智能化新能源控制技術(shù)等，借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，包括分析不同季節(jié)、氣候過程、局部氣溫、空氣密度、風向、局部地理特征、場站內(nèi)單機之間尾流相互干涉與發(fā)電功率之間的深層次關(guān)聯(lián)，建立和優(yōu)化風資源預測模型和評價體系；打造新型風機控制模式，柔性制定不同風電場的管理策略和參數(shù)。研究風機的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制和葉尖速比，實時分析不同風向?qū)Πl(fā)電功率的影響；優(yōu)化開機，實現(xiàn)全場功率最大化，根據(jù)風向變化提前調(diào)整偏航，做到新能源運行狀態(tài)的自適應主動調(diào)整，減少機械載荷、提高抗疲勞強度、提升發(fā)電量。

改進風電場節(jié)能，除上述具體路徑和措施，還需從管理方法上加以推進，采用整合創(chuàng)新成果、健全制度機制、完善提升標準、開展試點示范等手段，使之真正成為提升風電場競爭力的重要環(huán)節(jié)。