在役運行10年以上風(fēng)電機組運營策略研究

中國華能集團清潔能源技術(shù)研究院有限公司 楊曉峰 郭 辰 付 薇 任 鑫 趙鵬程

華能吉林發(fā)電有限公司新能源分公司 沈 波 于景龍 張英旭 張俊東

北京匯智天華新能源科技有限公司 閆立瑩

2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上宣布我國力爭2030年前實現(xiàn)碳排放達峰、努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和的愿景。同年12月，習(xí)近平總書記再次在氣候雄心峰會上通過視頻發(fā)表題為《繼往開來，開啟全球應(yīng)對氣候變化新征程》的講話，重點傳達碳達峰碳中和的重要思想，并承諾到2030年，中國風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上。截止到2020年底，我國風(fēng)電累計裝機量達到2.9412億千瓦，巨大的容量差距意味著我國風(fēng)電市場存在著廣闊的發(fā)展空間[1]。

為了實現(xiàn)雙碳目標(biāo)，我國風(fēng)電一方面要加大力度開發(fā)新增市場，在另一方面也需要大力提升現(xiàn)有存量市場的潛力和效能。這其中，充分提升運行壽命已過半的、在役10年以上的風(fēng)電機組效能尤為重要。

目前，在役機組中，國內(nèi)裝機超過10年的風(fēng)電機組大約為0.44億千瓦，大規(guī)模安裝于2006-2011年，這些機組的設(shè)計和運營水平較現(xiàn)今的智能機組存在著極大的差距，但是又占據(jù)著最優(yōu)越的風(fēng)資源條件，如何充分發(fā)揮這些風(fēng)電場的風(fēng)資源優(yōu)勢，實現(xiàn)環(huán)境和經(jīng)濟綜合效益的最大化，是目前亟待解決的一個問題。本文擬對在役運行10年以上的風(fēng)電場的運行狀況、運營策略等方面進行研究與探討。

1 在役運行10年及以上風(fēng)電機組裝機情況分析

1.1 國內(nèi)裝機容量快速增長

自2006年起，中國風(fēng)電行業(yè)開始了高速發(fā)展的階段，尤其是2009年至2011年，風(fēng)電機組新增裝機和累計裝機出現(xiàn)了大幅度的增加，其中，2010年中國新增風(fēng)電機組容量高達世界第一，躍居世界風(fēng)電裝機第一大國[2]。截止到2011年底，中國（不包括臺灣地區(qū)）累計裝機風(fēng)電機組45894臺，累計裝機容量62364.2MW[3]。2001-2011年中國歷年風(fēng)電新增、累計裝機容量如圖1所示。

圖1 2001-2011年中國歷年風(fēng)電新增、累計裝機容量

1.2 主流機型從百千瓦級向兆瓦級快速轉(zhuǎn)換

隨著風(fēng)電技術(shù)的高速發(fā)展，2009年以前安裝的風(fēng)電機組主要以兆瓦級以下機組為主，主要包括：750kW、850kW、900kW、1000kW，以上機組容量小、葉片短、塔筒低，大部分機組為定槳距機組，2009年以后，我國機組向長葉片、大容量、多兆瓦級機組發(fā)展，兆瓦級機組成為我國風(fēng)電機組主流機型[4]，歷年風(fēng)電機組裝機平均功率對比圖如圖2所示，歷年風(fēng)輪直徑占比圖如圖3所示，2011年不同功率機型累計占比如圖4所示。

圖2 歷年風(fēng)電機組裝機平均功率對比圖

圖3 歷年風(fēng)輪直徑占比圖

圖4 2011年不同功率機型累計占比圖

2011年底不同機型累計裝機容量：單機功率＜1MW的，裝機容量8544MW；單機功率1MW-2MW的，裝機容量為46149MW；單機功率≥2MW的，裝機容量為7670MW。

上述可以看出，2011年底，兆瓦級以下機組裝機容量超過8500MW，按平均容量約為750kW計算，其數(shù)量超過11000臺，機型多為定槳定速機組，其風(fēng)能利用效率低，折合利用小時數(shù)一般略大于1000小時。

1MW-2MW機組裝機容量超過46000MW，數(shù)量超過30000臺，以1.5MW機組為主，機型均為變槳變速恒頻機組，以雙饋機型為主，也有相當(dāng)一部分為直驅(qū)機型，目前其折合小時數(shù)一般在2000小時左右。

此外還有超過3500臺的2MW及以上機組裝機，其多為當(dāng)時的新開發(fā)機組，葉片相對現(xiàn)今同容量機型較短，可利用小時數(shù)略大于2000小時。

1.3 裝機區(qū)域集中在三北地區(qū) 風(fēng)資源條件優(yōu)越

風(fēng)資源的情況對風(fēng)電的發(fā)展起著決定作用，2011年及以前，華北、西北、以及東北區(qū)域等區(qū)域憑借著優(yōu)越的風(fēng)資源條件，成為新增裝機和累計裝機最多的區(qū)域，風(fēng)區(qū)類型多為二、三類風(fēng)區(qū)，2006至2011年風(fēng)電機組區(qū)域安裝圖如圖5所示。

圖5 2006至2011年風(fēng)電機組區(qū)域安裝圖

1.4 電價補貼政策優(yōu)惠

2009年7月20日，國家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于完善風(fēng)力發(fā)電上網(wǎng)電價政策的通知》（發(fā)改價格〔2009〕1906號），按照風(fēng)能資源狀況和工程建設(shè)條件，把全國分為四類資源區(qū)，并核定了對應(yīng)的標(biāo)桿上網(wǎng)電價。同時規(guī)定，風(fēng)電項目上網(wǎng)電價包括脫硫標(biāo)桿電價和綠電補貼兩部分；該政策在風(fēng)電發(fā)展尚不成熟的早期階段，為風(fēng)電在電力市場上提供了堅實的立足點，促進了我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，對風(fēng)電發(fā)展起到了巨大的推動作用[5]。優(yōu)異的政策條件促使各發(fā)電集團大力發(fā)展風(fēng)電產(chǎn)業(yè)，積極推動國家綠色能源建設(shè)[6]。

2 在役運行10年以上風(fēng)電機組存在的主要問題

2.1 兆瓦級以下機組

國內(nèi)兆瓦級以下機組裝機主要集中在2011年之前，采用的技術(shù)多為定槳距機組，其風(fēng)能利用效率很低；且運行時間已超過10年，機組故障相對較多，質(zhì)量問題較為突出；同時還存在著不能滿足低電壓穿越、高電壓穿越等電網(wǎng)接入新規(guī)的問題，即使其占據(jù)著好的風(fēng)資源、電價高，但總體運行的年利用小時數(shù)依然很低，風(fēng)電場經(jīng)濟效益差。

2.2 兆瓦級及以上機組

2011年之前安裝的兆瓦級機組以1.5MW為主，其葉片直徑從70m到90m，主要為雙饋和直驅(qū)機型，與目前先進的低風(fēng)速機型相比，其存在的問題主要有：

風(fēng)能利用效率偏低，在二、三類風(fēng)區(qū)其年發(fā)電小時數(shù)在2000小時左右，約為目前先進機型的60%-70%；機組主要部件的技術(shù)和質(zhì)量水平相對較低，控制策略和水平相對落后，機組的安全性存在隱患，造成機組故障率相對較高；國內(nèi)風(fēng)電大發(fā)展時期，主機生產(chǎn)制造商眾多，到現(xiàn)在數(shù)量眾多的企業(yè)已停產(chǎn)或者倒閉，加上一部分國外廠商退出中國市場，造成市場上有一定數(shù)量的機組成為“孤兒機組”，機組售后技術(shù)服務(wù)中斷；近年來，電網(wǎng)對風(fēng)電接入的技術(shù)要求越來越高，2011年之前安裝的機組基本上不具備低電壓、高電壓穿越能力，雖經(jīng)過長時間技術(shù)改造，目前仍有部分機組不滿足最新的電網(wǎng)接入要求，影響了它們的運行小時數(shù)；以上情況導(dǎo)致了這些早期安裝的機組經(jīng)濟性較差，存在安全隱患。

3 風(fēng)電補貼政策的變化和明晰

2020年10月，由財政部、發(fā)展改革委、國家能源局印發(fā)的財建〔2020〕4號《關(guān)于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》，對風(fēng)電的電價補貼政策重新作出了明確規(guī)定，“已按規(guī)定核準(zhǔn)（備案）、全部機組完成并網(wǎng)，同時經(jīng)審核納入補貼目錄的可再生能源發(fā)電項目，按合理利用小時數(shù)核定中央財政補貼額度。”其中合理利用小時數(shù)明確為“風(fēng)電一類、二類、三類、四類資源區(qū)項目全生命周期合理利用小時數(shù)分別為48000小時、44000小時、40000小時和36000小時，海上風(fēng)電全生命周期合理利用小時數(shù)為52000小時”。

該政策對裝機運行10年以上的風(fēng)電場的經(jīng)濟效益影響巨大。在此大背景下，各大發(fā)電集團以及風(fēng)電行業(yè)各級服務(wù)商必須思考如何在已有風(fēng)電場上提升經(jīng)濟效益，特別是還有著電價紅利的早期風(fēng)電機組[7]，下面將就不同類型機組應(yīng)采取的提質(zhì)增效的典型運營策略進行分析與探討。

4 典型運營策略分析與探討

4.1 百千瓦級風(fēng)電機組

對于前期運行情況較差，實際利用小時數(shù)低，電價補貼容量充裕的風(fēng)電場，在不增加土地占用、不改變并網(wǎng)總?cè)萘亢筒⒕W(wǎng)系統(tǒng)的前提下，采取“上大壓小”等運營策略[8]。選擇風(fēng)電場中質(zhì)量問題嚴(yán)重、長期停機、大部件無法補充、風(fēng)資源相對較差、在風(fēng)場中年利用小時數(shù)落后的機組或風(fēng)機廠家破產(chǎn)，沒有后續(xù)技術(shù)支持的“孤兒機組”，盡可能在不改變基礎(chǔ)的情況下，采取“拆三上二”“拆二上一”或“以大代小”等措施，用最新研發(fā)的高性能機組和塔筒替代原機組。這方面最典型的例子是：金風(fēng)科技推出的GW1S機型替換原金風(fēng)750kW機組，其發(fā)電量提升可超過60%，改造后的全生命周期內(nèi)增量全投資內(nèi)部收益率超過14%；明陽用三臺MY1.5-82機組替換9臺原550kW機組，其發(fā)電小時數(shù)由935h增加到了改造后的2288h；東方風(fēng)電用自主研制的11臺4MW和3臺2MW風(fēng)電機組代替原32臺1.5MW老舊機組，改造后可利用率超過99.5%，對行業(yè)內(nèi)“孤兒”風(fēng)機改造升級具有顯著的示范意義。以上三個典型的應(yīng)用示例均已有成功案例，且通過全生命周期的經(jīng)濟測算，該項目改造能夠在5-6年左右收回成本并獲得收益。這些應(yīng)用實例說明對百千瓦級機組采用部分替換的策略是可行的，經(jīng)濟效益和社會效益俱佳。

另外，對于前期運行情況較好，實際利用小時數(shù)滿足設(shè)計要求，電網(wǎng)補貼容量裕度不大的風(fēng)電場，應(yīng)采取對機組狀態(tài)和壽命進行全方位評估，綜合治理的運營思路，同時認(rèn)真研究國家對老舊機組風(fēng)電場的優(yōu)化、改造、重建等相關(guān)政策，提前做好相關(guān)工作準(zhǔn)備，以便在風(fēng)電場運行到壽命后的下一步延壽、替換或新建等工作提前布局，充分發(fā)揮這些風(fēng)電場風(fēng)資源優(yōu)勢[9]。

4.2 兆瓦級風(fēng)電機組

目前運行10年以上的兆瓦級風(fēng)電機組，主要以1.5MW和2MW機組為主，以雙饋和直驅(qū)機組為主要代表，這些機組均是變槳變速恒頻機組，目前運行情況相對較好，年可利用小時數(shù)在2000小時左右，經(jīng)過風(fēng)電場和風(fēng)電機組并網(wǎng)特性改造后，可滿足目前的電網(wǎng)接入技術(shù)規(guī)定。但是這些機組葉片相對較短、塔筒相對較低、部件質(zhì)量參差不齊，有較大的改造和性能提升空間，對此類風(fēng)電場主要應(yīng)采取通過技術(shù)改造降低故障率、提高安全性、優(yōu)化發(fā)電性能等措施，充分發(fā)揮其風(fēng)資源條件好、電價政策優(yōu)惠等優(yōu)勢，提高整體運營效益。根據(jù)近年來風(fēng)電機組優(yōu)化改造的實踐經(jīng)驗來看，主要具體改造內(nèi)容如下。

4.2.1 風(fēng)電場的智慧化和風(fēng)電機組的智能化改造

在大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)快速發(fā)展的背景下，各發(fā)電集團紛紛轉(zhuǎn)變思路，向風(fēng)電場智能化運營方向轉(zhuǎn)變。設(shè)立總部—區(qū)域—場站逐級管理的智能化運維管理系統(tǒng)，建立包含備件存儲與領(lǐng)用、工作票開具與終結(jié)、故障處理、項目驗收等各功能整合的智能化運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)無紙化辦公，在減少現(xiàn)場管理人員工作量的同時，提高工作效率，降本增效。在實現(xiàn)智能化辦公的同時，建立集控中心，加強對場站的智能管理，爭取建立無人值守風(fēng)電場，另外，建立無線通訊，實現(xiàn)通信信號全覆蓋，全方面監(jiān)控風(fēng)電場的安全穩(wěn)定運行。

4.2.2 機組關(guān)鍵部件和系統(tǒng)的改造升級

早期各風(fēng)電主機廠商采用的諸如PLC、變流器等關(guān)鍵零部件，絕大部分為進口部件，性能相對落后，其中部分已經(jīng)停產(chǎn)，很難找到合適的替代產(chǎn)品。對此類部件應(yīng)大力推進其國產(chǎn)化改造，這些部件主要有變頻系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、PLC、監(jiān)控系統(tǒng)等。其中華能新銳公司的國產(chǎn)PLC改造、禾望以及陽光電源的自主研發(fā)的變頻器目前已處于國際領(lǐng)先地位，在滿足國內(nèi)需求的同時，能夠進行出口，增強國際競爭力。

對葉片、發(fā)電機、齒輪箱、關(guān)鍵軸承等部件，目前國產(chǎn)部件的性能、質(zhì)量和可靠性均能滿足行業(yè)發(fā)展的需要。對早期出過批次質(zhì)量事故的關(guān)鍵部件，目前也已形成了比較完備的國產(chǎn)化替代產(chǎn)品，對發(fā)生嚴(yán)重故障的此類部件，可通過建立備件聯(lián)儲機制和系統(tǒng)的方式，加快其更換和維修速度，減少停機時間，提高風(fēng)場效益。

4.2.3 優(yōu)化機組控制，提高風(fēng)能利用效率

從主控軟件上對風(fēng)電機組變槳、功率耦合控制策略進行優(yōu)化，采用更加先進的智能算法，實現(xiàn)運行狀態(tài)主動尋優(yōu)，參數(shù)協(xié)調(diào)控制，提高風(fēng)能利用效率，具體實現(xiàn)方式包括槳距角動態(tài)調(diào)整、偏航動態(tài)優(yōu)化、切入、切出風(fēng)速優(yōu)化、尾流控制等。從軟件上優(yōu)化能夠從根本上解決風(fēng)電機組控制策略落后的弊端，發(fā)電量提升率約在5%以上，且改造效果能夠長期留存，經(jīng)濟效益明顯。

該改造方案成本小，基本不涉及到硬件改造，但專業(yè)技術(shù)研發(fā)能力要求極強。目前國際知名風(fēng)機企業(yè)如vestas、專業(yè)控制策略服務(wù)商（PLC）丹控均在自己服務(wù)的機組進行試驗；國內(nèi)機組生產(chǎn)商如金風(fēng)、遠景等也在不斷提高自己老舊機組風(fēng)能利用效率的試驗，沒有擴展到其他廠商機型；目前該塊業(yè)務(wù)就推廣來看是第三方高科技服務(wù)公司在跟進，就改造效果來看，取得了不錯的效果，例如北京匯智天華科技有限公司的基于精細化模型的控制算法為例，對于多種品牌老舊1.5MW機組70、77葉片機組發(fā)電量提升效果在7%以上，82葉片的提升效果在5%以上，技術(shù)方案成熟，且效果良好。

4.2.4 機組安全性能提升改造

安全問題一直是電力系統(tǒng)的一道紅線，早期機組的設(shè)計水平和目前的運行年限導(dǎo)致了老舊機組較新安裝的智能機組相比安全性較差，故各發(fā)電集團把對老舊機組的安全治理工作視為重中之重。其應(yīng)對策略是聯(lián)合風(fēng)電機組生產(chǎn)商和第三方服務(wù)商，根據(jù)各家機組的情況進行有針對性的專項技改，例如優(yōu)化變槳系統(tǒng)控制邏輯，解決飛車問題；優(yōu)化控制電路，解決風(fēng)電機組超速問題；優(yōu)化風(fēng)電機組并網(wǎng)回路，解決機組火災(zāi)問題；優(yōu)化風(fēng)電機組油路系統(tǒng)，解決風(fēng)電機組超溫問題等，小到油質(zhì)檢測，大到風(fēng)電機組大部件更換，都體現(xiàn)了發(fā)電集團對風(fēng)電機組安全運行的決心和信心。

4.2.5 風(fēng)電場及風(fēng)電機組電網(wǎng)適應(yīng)性改造

隨著風(fēng)電裝機規(guī)模和其在電網(wǎng)中的占比不斷擴大，電網(wǎng)對風(fēng)電設(shè)備和風(fēng)電場的技術(shù)要求也越來越嚴(yán)格，目前各發(fā)電集團均在電網(wǎng)指導(dǎo)下對不滿足電網(wǎng)適應(yīng)性的機組進行改造，包括低電壓穿越改造、高電壓穿越改造、有功功率自動控制（AGC）、自動電壓控制（AVC）、快速調(diào)頻調(diào)壓等等。這些改造的完成不僅增強了機組的電網(wǎng)適應(yīng)性，也減少了相應(yīng)的電網(wǎng)考核，增加了機組的電網(wǎng)友好性。以高電壓穿越改造為例，自2017年，全國第一例華能高力板風(fēng)電場20萬千瓦風(fēng)電場高電壓穿越改造完成后，全國東北、蒙東等地均大規(guī)模開展了老舊風(fēng)電機組的高電壓穿越改造項目，完全保障了老舊風(fēng)電機組在并網(wǎng)時的安全穩(wěn)定性，大幅度提高了風(fēng)電的涉網(wǎng)友好性。

綜上，目前國內(nèi)運行10年以上的風(fēng)電機組數(shù)量已超過45000臺，在我國可再生能源發(fā)電系統(tǒng)中，占有重要的戰(zhàn)略位置。尤其在2021年底，煤炭價格大幅上漲，火電發(fā)電成本不斷上升，我國南方地區(qū)限電的情況下，充分體現(xiàn)出風(fēng)能、太陽能等可再生能源的重要地位[10]。

對老舊風(fēng)電機組和風(fēng)電場進行個性化的分析和改造，可大幅度提升風(fēng)電場和發(fā)電集團的運行效益，本文從裝機容量和分布、機組類型方面入手，結(jié)合多年來機組優(yōu)化改造、性能提升、拆除與更新等方面的實踐經(jīng)驗，總結(jié)出不同類型機組相應(yīng)的運營和優(yōu)化策略。這些措施將有助于提高機組安全性、提升機組發(fā)電量，增加電網(wǎng)友好性，實現(xiàn)智能化運營，從而提升老舊風(fēng)電機組風(fēng)電場的運營水平、經(jīng)濟效益和社會效益。