肖洪波

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)風(fēng)電有限公司，沈陽 110869）

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型原則及步驟

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組均指并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主要為水平軸、3 葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一模式。單機(jī)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(jī)型、雙饋?zhàn)兯僮儤獧C(jī)型、直驅(qū)永磁變速變槳機(jī)型。

1.1 各種機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)

1）失速型定槳定速機(jī)型。失速型定槳定速機(jī)型的葉片安裝好以后不能轉(zhuǎn)動(dòng)，靠葉片的失速來調(diào)節(jié)功率的輸出，額定風(fēng)速較高，為非主流機(jī)型。其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，易于制造；控制原理簡單，易于實(shí)施；故障率較低。缺點(diǎn)是額定風(fēng)速高，風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率低；轉(zhuǎn)速恒定，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率低；葉片復(fù)雜，重量大，制造較難，不宜作大風(fēng)機(jī)。

2）雙饋?zhàn)兯僮儤獧C(jī)型。變槳距技術(shù)主要解決了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低的問題。3 個(gè)葉片可以根據(jù)風(fēng)速大小轉(zhuǎn)動(dòng)，使風(fēng)對(duì)葉片的攻角始終保持最佳角度，提高了風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率。變槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)是并網(wǎng)簡單、無沖擊電流、可實(shí)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(jià)比，是目前風(fēng)電行業(yè)的主流機(jī)型。缺點(diǎn)是變槳機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制系統(tǒng)也較復(fù)雜，出現(xiàn)故障的可能性增加。

3）直驅(qū)永磁變速變槳機(jī)型。此機(jī)型是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，技術(shù)已經(jīng)成熟，代表了未來風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是無齒輪箱的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用永磁型發(fā)電機(jī)，定子與全功率變流器相接后與電網(wǎng)相連。優(yōu)點(diǎn)是沒有齒輪箱，減少了機(jī)械傳動(dòng)損耗；發(fā)電效率高；受風(fēng)速限制小，在低風(fēng)速段出力更大［1］。缺點(diǎn)是電控要求高、運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的主要因素

1）風(fēng)電場的風(fēng)資源情況。根據(jù)輪轂高度的年平均風(fēng)速、50 年一遇10 min 平均最大風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分為4 個(gè)等級(jí)，同時(shí)還有一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的S 級(jí)。應(yīng)根據(jù)場址的風(fēng)況選擇安全等級(jí)的級(jí)別［2］。

2）風(fēng)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(jī)組。沿海地區(qū)，還應(yīng)對(duì)防腐和絕緣性能提出特殊要求。

3）風(fēng)電場的交通運(yùn)輸條件。考察風(fēng)電場周邊道路，判斷是否可以將葉片、塔筒和機(jī)艙等安全運(yùn)抵風(fēng)場。

4）單機(jī)容量。從經(jīng)濟(jì)效益的角度，盡量選用單機(jī)容量較大的、采用變槳變速技術(shù)的機(jī)型，以減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jì)效益［2］，同時(shí)避免將來因廠家停產(chǎn)而難以找到備品備件。大型機(jī)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(jià)從而降低建設(shè)和運(yùn)行成本。

5）價(jià)格。主要包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價(jià)格及其基礎(chǔ)的費(fèi)用。單機(jī)容量不同時(shí)還應(yīng)比較配套設(shè)備和設(shè)施的費(fèi)用。

6）售后服務(wù)。廠家有無專門的服務(wù)機(jī)構(gòu)和服務(wù)設(shè)施，其他用戶對(duì)廠家的評(píng)價(jià)。

1.3 機(jī)型比選的方法步驟

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

2）根據(jù)氣候條件，確定幾種備選機(jī)型。

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

4）對(duì)各備選機(jī)型及其配套費(fèi)用作投資估算。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價(jià)格用最新的招標(biāo)價(jià)格計(jì)算。

5）計(jì)算各備選機(jī)型的機(jī)組風(fēng)輪單位面積性價(jià)比。

6）結(jié)合各備選機(jī)型的特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、控制方式、成熟性、先進(jìn)性、售后服務(wù)等進(jìn)行綜合的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，確定機(jī)型。

2 實(shí)例分析

2.1 某風(fēng)場地形地貌

風(fēng)電場處地勢平坦，地質(zhì)結(jié)構(gòu)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(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)輸和安裝沒有特殊的限制，可以運(yùn)輸和安裝大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

2.2 某風(fēng)場風(fēng)資源情況

1）測風(fēng)塔代表年70m、80m、90m、100m 高度的全年平均風(fēng)速分別為6.10 m/s、6.22 m/s、6.32 m/s、6.42 m/s；相應(yīng)的風(fēng)功率密度分別為244.3 W/m2、258.8 W/m2、272.3 W/m2、285.0 W/m2。風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級(jí)為2 級(jí)，具有開發(fā)價(jià)值。

2）測風(fēng)塔70 m 高度風(fēng)能密度分布最大方向?yàn)镹，頻率分別為12.7%，風(fēng)能密度分布次大方向?yàn)镹NW，頻率為12.5%?？傮w而言，70 m 高度的主風(fēng)能方向?yàn)镹W～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(jì)算當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.234 kg/m3。由測風(fēng)塔的實(shí)測氣溫、氣壓數(shù)據(jù)，計(jì)算年平均空氣密度ρ為1.235 kg/m3。本項(xiàng)目選取由測風(fēng)塔計(jì)算的空氣密度1.235 kg/m3對(duì)風(fēng)場風(fēng)能資源進(jìn)行評(píng)估。

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

5）通過相關(guān)方程推算風(fēng)場10 m 高度50 年一遇最大風(fēng)速23.97 m/s。通過風(fēng)場的大風(fēng)風(fēng)切變指數(shù)0.094，推算到風(fēng)電場65 m、70 m、80 m、85 m 高度處50 年一遇最大風(fēng)速分別為33.73 m/s、33.97 m/s、34.40 m/s、34.59 m/s。換算到標(biāo)準(zhǔn)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(huì)IEC61400-1（2005）標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)電場可選用Ⅲ類等級(jí)的風(fēng)機(jī)。另外，風(fēng)電場范圍內(nèi)風(fēng)速為15 m/s 的湍流強(qiáng)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(huì)IEC61400-1（2005）標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)電場可選用ⅢC 類等級(jí)的風(fēng)機(jī)。

2.3 備選機(jī)型的選擇

根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)資源特征和地形特征，考慮機(jī)組安裝和設(shè)備運(yùn)輸條件，初步選擇WTG2000 和WTG1500 兩種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組代表機(jī)型，用WAsP10 和Windfarmer4.1.1.0分別對(duì)所選機(jī)型進(jìn)行優(yōu)化布置。

WTG2000 和WTG1500 的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

2.4 備選機(jī)型布置及發(fā)電量計(jì)算

利用WAsP 軟件計(jì)算風(fēng)頻譜，分區(qū)域制作風(fēng)資源柵格文件，將其導(dǎo)入Windfarmer 軟件中，考慮尾流損失，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組位置優(yōu)化和發(fā)電量計(jì)算［3］。再按35%折減系數(shù)計(jì)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(fēng)電機(jī)組可利用率、線損、功率曲線和氣候影響停機(jī)等）。

表1 WTG2000 機(jī)型和WTG1500 機(jī)型技術(shù)參數(shù)對(duì)照表

比選風(fēng)機(jī)年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果和折減后的發(fā)電量見表2。

表2 WTG2000 機(jī)型和WTG1500 機(jī)型發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對(duì)照表

2.5 備選機(jī)型經(jīng)濟(jì)性比較

依據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，對(duì)兩種比選機(jī)型進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 WTG2000 機(jī)型和WTG1500 機(jī)型經(jīng)濟(jì)性比較

在技術(shù)水平相當(dāng)?shù)那闆r下，在分析現(xiàn)有風(fēng)資源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，從能力指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)兩個(gè)方面對(duì)WTG2000和WTG1500 進(jìn)行綜合比較，由表3 的對(duì)比結(jié)果可見，WTG1500 機(jī)型略優(yōu)于WTG2000 機(jī)型。

3 結(jié)論

風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型是風(fēng)電場設(shè)計(jì)的重要工作之一。本文首先簡要介紹了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的分類和各類機(jī)型的優(yōu)缺點(diǎn)，然后概括了風(fēng)電場開發(fā)初期影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型的主要因素和機(jī)型比選的方法步驟，最后以某風(fēng)電場為實(shí)例，進(jìn)行計(jì)算分析，選擇兩種比選機(jī)型，在技術(shù)、能量和經(jīng)濟(jì)性幾個(gè)方面分別進(jìn)行比選，最終得出本階段的推薦機(jī)型。

［1］張文寶，王友.風(fēng)電場不同機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的分析［J］.能源技術(shù)經(jīng)濟(jì)，2011，23（3）：48.

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

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