DQZHAN技術(shù)訊：低風速風電場風電機組選型探討

風能是潔凈環(huán)保的可再生能源，人類對風能的利用至少已經(jīng)有3000年歷史，由于受到當時經(jīng)濟、技術(shù)方面的因素制約，風力發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢。19世紀70年代世界爆發(fā)石油危機之后，歐美等發(fā)達國家為尋找能夠替代化石燃料的新能源，投入了大量的科研經(jīng)費與激勵政策研制風電機組。二十世紀，風力發(fā)電事業(yè)在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，風電機組單機發(fā)電量從*初的kW級發(fā)展到現(xiàn)在的MW級，從*初的小型離網(wǎng)型單機發(fā)展到現(xiàn)在大型并網(wǎng)型機組。從*初的木制葉片、固定輪轂及側(cè)偏尾舵調(diào)速發(fā)展到現(xiàn)在的玻璃纖維片、定槳距或變槳距以及偏航對風調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

全球風能理事會（GWEC)2012年3月7日公布的調(diào)查結(jié)果顯示，2010年全年新建風力發(fā)電設(shè)備的裝機總?cè)萘颗琶孜坏氖侵袊?16.5GW)，比排名**的美國(5.12GW)多出2倍多。這意味著中國的裝機總?cè)萘窟h超美國，是****風電大國。

本文結(jié)合在廣西地區(qū)低風速風區(qū)的工作實踐經(jīng)驗，主要討論風場選擇風電機組及運行維護應(yīng)重點關(guān)注的幾個問題。

風電機組葉片審查（1）翼型方案審查低風速區(qū)需更優(yōu)化的葉片，在更低的風速下吸收更多的風能。

風電機組葉片作為風電機組的核心部件之一，其性能質(zhì)量直接影響整體機組的效率，設(shè)計合理的葉片是保證風電機組正常穩(wěn)定運行的重要因素。另一方面葉片制造成本占風電機組設(shè)備的20%－30%，因此提高葉片的性能一直是風電技術(shù)研究的方向。葉片的氣動設(shè)計包括外形設(shè)計及氣動性能計算，氣動外形設(shè)計決定了風能利用效率，氣動性能計算是評價葉片外形設(shè)計的關(guān)鍵指標。

企業(yè)進行低風區(qū)機型葉片設(shè)計時，對結(jié)構(gòu)強度計算比較重視，常常忽視對葉片的氣動外形的設(shè)計。風電機組運行環(huán)境變化，原有葉片氣動外形設(shè)計方案應(yīng)進行調(diào)整，才能滿足在特定的風速分布下年發(fā)電量*大的要求。選型時應(yīng)了解企業(yè)對調(diào)整后的葉片氣動外形優(yōu)化設(shè)計方案，是否用氣動性能計算程序?qū)θ~片風輪進行了性能校核計算，葉片風能利用系數(shù)及額定風速（輪轂高度均勻風速）是否具有良好的空氣動力性能。

選型要重點分析企業(yè)對葉片外形設(shè)計方案采用確認方式的合理性，對比分析測試結(jié)果與計算結(jié)果的差異是否在允許范圍內(nèi)，企業(yè)對存在誤差的分析的理論依據(jù)是否正確。還要核對企業(yè)設(shè)計方案中載荷計算使用的*佳運行曲線、風電機組的切入/切出風速等關(guān)鍵運行參數(shù)是否與樣機控制系統(tǒng)中設(shè)置的數(shù)據(jù)一致，此處是設(shè)計中各專業(yè)組的接口。參與風電機組設(shè)計的專業(yè)較多，方案的部分功能是各專業(yè)組分別進行，容易出現(xiàn)重點數(shù)據(jù)未進行傳遞的溝通不暢問題，所以在選型時一定要對兩專業(yè)使用的同一重要參數(shù)進行核對。

（2）葉片材料審查

選用輕質(zhì)材料的葉片，以降低風電機組的啟動風速。低風區(qū)風電機組的切入風速一般都選擇較低風速，在這樣的情況下，由于葉片質(zhì)量過重造成其轉(zhuǎn)動慣量過大，葉片的本身阻力造成其啟動困難，在實際運行中可能會發(fā)生在設(shè)計的風電機組切入轉(zhuǎn)速時無法并網(wǎng)發(fā)電的現(xiàn)象。

變槳系統(tǒng)審查

風電機組葉片及塔筒參數(shù)變化后，葉片收集的風能也隨之變化。變槳系統(tǒng)是風電機組在緊急停機時工作的重要部件之一，其驅(qū)動系統(tǒng)保證了在出現(xiàn)故障需要緊急停機時機組葉片迅速轉(zhuǎn)動角度，在較短的時間內(nèi)減少對風能的捕捉，從而使風輪停止轉(zhuǎn)動，避免發(fā)生風輪超速而引發(fā)的重大財產(chǎn)或人身損害。生產(chǎn)企業(yè)進行低風區(qū)機型設(shè)計時希望減少成本，認為低風速區(qū)大風發(fā)生的概率很小往往會降低**系數(shù)。

所以選型時要核對變槳驅(qū)動系統(tǒng)的電機扭矩，是否能保證在載荷*大時驅(qū)動槳葉轉(zhuǎn)動且轉(zhuǎn)動速度達到變槳速率的要求，**裕度是否足夠。還要核對變槳系統(tǒng)的應(yīng)急電源的容量是否滿足三次連續(xù)變槳的要求?，F(xiàn)階段各標準要求不一，用戶希望**裕度取大些，但生產(chǎn)廠家希望降低成本。

由制造廠家參與編制的國家能源局頒發(fā)的標準《風電機組電動變槳控制系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》NB/T31018－2011中4.2.9后備電源中要求：“電池后備電源系統(tǒng)：電池組的容量應(yīng)滿足在葉片規(guī)定的載荷情況下完成3次緊急順槳動作的要求”，“電容后備電源系統(tǒng)：電容組的容量應(yīng)滿足葉片在規(guī)定載荷情況下完成1次以上順槳動作要求”。而研究所為主編制的國標《風電機組變速恒頻控制系統(tǒng)》GB/T25386.1－2010中第5.2.11后備電源中要求“后備電源的容量設(shè)計應(yīng)至少3次以上滿載下的全程順槳需求”。

在審查時要重點查看樣機試驗的試驗設(shè)備中加載設(shè)備和變槳速率的測試設(shè)備是否滿足要求，加載設(shè)備能力是否能滿足要求，測速設(shè)備是否能準確的測量變槳速度。某些生產(chǎn)企業(yè)試驗時加載的數(shù)值采用未考慮**系數(shù)的數(shù)值，這樣的檢驗是不能滿足要求的。

變槳系統(tǒng)的后備電源方案的審查更加困難，模擬機組運行時滿載情況時的變槳載荷對試驗設(shè)備要求較高，對此資料審查時要核對樣機試驗方案中確定的變槳載荷滿載復核參數(shù)是否合理，確定變槳系統(tǒng)滿載載荷時的**裕度是否符合要求。

大部分生產(chǎn)企業(yè)對變槳系統(tǒng)后備電源方案的試驗以采用樣機在現(xiàn)場運行方式替代，此種做法有些不妥，因為對變槳后備電源確認要求在載荷*大條件下進行?，F(xiàn)場運行狀況與氣候條件密切相關(guān)，在現(xiàn)場運行的一年內(nèi)，有可能出現(xiàn)載荷*大值工況的概率較小，在載荷*大值急停的概率更小。所以采用運行現(xiàn)場對變槳系統(tǒng)的后備電源方案進行確認是不夠充分的。

偏航系統(tǒng)審查

偏航系統(tǒng)是水平軸式風電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一，對風電機組利用風能起著非常巨大的作用。偏航系統(tǒng)的主要作用有兩個。其一是與風電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風電機組的風輪始終處于迎風狀態(tài)，充分利用風能，提高風電機組的發(fā)電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風電機組的**運行。

偏航系統(tǒng)是由回轉(zhuǎn)支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺電機驅(qū)動的齒輪傳動機構(gòu)組成的。帶有內(nèi)齒的偏航軸承用螺栓連接在塔筒頂部，外環(huán)與機艙座連接，內(nèi)環(huán)與塔架法蘭連接。偏航驅(qū)動機構(gòu)一般都是由電機、減速機構(gòu)成。偏航鎖緊力矩由數(shù)套偏航剎車盤提供。偏航時各剎車盤處于半釋放狀態(tài)，自動解纜時各剎車盤處于全釋放狀態(tài)。

對于低風速區(qū)機型，部分國內(nèi)制造企業(yè)為了降低成本，對偏航系統(tǒng)進行設(shè)計“優(yōu)化”，多采用了減少偏航系統(tǒng)的偏航剎車盤數(shù)量的方法。設(shè)計方案中的計算制動力矩計入了偏航電機的電磁制動的轉(zhuǎn)矩，從而減少了偏航剎車盤的制動轉(zhuǎn)矩。當風載荷產(chǎn)生的扭矩大于偏航制動壓力鉗的扭矩時，載荷扭矩會傳遞到偏航系統(tǒng)的減速器齒輪上，因此這樣的優(yōu)化可能會導致齒輪箱承受部分交變應(yīng)力減少使用壽命。

風電機組運行維護過程中要加大巡檢頻率，重點關(guān)注偏航系統(tǒng)的驅(qū)動系統(tǒng)中與電機連接的螺桿及偏航齒輪箱，防其承受交變力提前損壞。

控制系統(tǒng)審查

由于風電機組工作環(huán)境惡劣，以及對機組20年長壽命、高可靠性和**性的特殊要求，對風電機組的重要部件如齒輪箱、發(fā)電機等的運行狀態(tài)監(jiān)控是極其重要的。風電系統(tǒng)是典型的復雜多變量非線性系統(tǒng)，受干擾因素很多，除了風速的大小和方向隨機變化之外，還受電網(wǎng)的參數(shù)波動和大氣條件及空氣密度等因素的影響。風電機組由多個部分組成，而控制系統(tǒng)貫穿到每個部分，相當于風電機組的神經(jīng)系統(tǒng)。因此控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到風電機組的工作狀態(tài)、發(fā)電量的多少、以及設(shè)備的**。

目前風力發(fā)電亟待研究解決的兩個問題發(fā)電效率和發(fā)電質(zhì)量，都與風電控制系統(tǒng)密切相關(guān)，控制軟件中參數(shù)的設(shè)定（如：對風向風速調(diào)整的跟隨速度等）對機械部件的壽命影響也較大。這些參數(shù)的設(shè)定既要考慮發(fā)電量又要顧及機械部件的使用壽命，*佳運行參數(shù)是理論推導與現(xiàn)場運行經(jīng)驗相結(jié)合的產(chǎn)物。審查時要密切關(guān)注這些參數(shù)的確認方法是否合理，是否對參數(shù)的變化范圍進行了確認。

現(xiàn)階段風電控制軟件多為進口，而國外企業(yè)對核心部分的保密程度較高，削弱了國內(nèi)引進核心技術(shù)進行應(yīng)用開發(fā)的基礎(chǔ)，所以對自主開發(fā)軟件的測試尤為重要，大量統(tǒng)計資料表明，軟件測試的工作量往往占軟件開發(fā)總工作量的40%以上，在極端情況測試那種關(guān)系人的生命**的軟件所花費的成本可能相當于軟件工程其他開發(fā)步驟總成本的三倍到五倍，國內(nèi)生產(chǎn)廠家的測試投入往往不足。

運行過程中要注意對控制軟件運行性能數(shù)據(jù)進行分析，首先收集軟件中的監(jiān)視功能相關(guān)的數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場巡檢的情況，核對軟件監(jiān)視功能是否正確合理。監(jiān)測功能是否覆蓋了主要設(shè)備狀態(tài)，

收集數(shù)據(jù)至少包含：

（1）有關(guān)**運行性能的數(shù)據(jù)，如：臨界轉(zhuǎn)速、臨界功率、重要部件過熱、發(fā)電機短路、振動、電纜纏繞、緊急停車等情況的相關(guān)的數(shù)據(jù)；

（2）監(jiān)控功能的數(shù)據(jù)，如監(jiān)控功能數(shù)據(jù)應(yīng)包含轉(zhuǎn)速、功率、風速、電網(wǎng)參數(shù)、發(fā)電機及齒輪箱和軸承等重要部件的溫度、制動設(shè)備狀況、風向、環(huán)境溫度、頻率和電壓、機械零部件運行狀況數(shù)據(jù)；

（3）報警功能的數(shù)據(jù)，如齒輪箱溫度超標后的報警，液壓系統(tǒng)的壓力超壓或欠壓的報警，風速超限的報警與處理功能數(shù)據(jù)；

（4）啟動和正常停機、急停功能的數(shù)據(jù)；

（5）控制策略的實現(xiàn)功能相關(guān)數(shù)據(jù)，如啟動階段的控制方式、并網(wǎng)后功率隨轉(zhuǎn)速上升段控制方式、恒頻恒功率段的控制方式等數(shù)據(jù)。

本文以對發(fā)電機的控制相關(guān)功能相關(guān)數(shù)據(jù)為例說明審查中應(yīng)關(guān)注的重點內(nèi)容：

首先審查發(fā)電機繞組溫度監(jiān)測功能的測試記錄。此監(jiān)測功能是保證繞組溫度保持在允許的運行范圍內(nèi)。為此，自監(jiān)控測量系統(tǒng)必須功能可靠。出廠前也必須對此功能進行測試。

其次對設(shè)置參數(shù)合理性的評估。對繞組溫度極限值的設(shè)置合理性進行審查。即使是稍微超過容許的溫度值，也會減少發(fā)電機的壽命。顯著超過這個限值會在短時間內(nèi)導致電機損壞。繞組溫度的極限值一般根據(jù)制造商所提供的有關(guān)電機絕緣等級的資料來確定。審核發(fā)電機的絕緣等級相關(guān)的設(shè)計及試驗資料，核實繞組溫度極限值的設(shè)置的合理性。值得關(guān)注的是：有些發(fā)電機的制造廠家為了市場宣傳的要求常?？浯箅姍C的絕緣等級，所以在運行時要注意核實發(fā)電機型式試驗中的溫升試驗的具體數(shù)據(jù)，以判斷發(fā)電機的真實絕緣等級，確保繞組溫度極限值的設(shè)置的正確性。

還要對軟件超出限制的處理能力的數(shù)據(jù)進行評估。當超過容許的繞組溫度，控制系統(tǒng)應(yīng)降低發(fā)電機的功率輸出，直至繞組溫度低于容許溫度。

對過大的電流或功率可能導致機械過載和電氣過載時的控制系統(tǒng)的應(yīng)對功能的運行記錄的審查?？刂葡到y(tǒng)必須具有減少超出額定運行值的控制功能。超過*大容許的溫度極限值時，風電機組**保護系統(tǒng)應(yīng)作出響應(yīng)。收集的數(shù)據(jù)應(yīng)涵蓋包含對上述功能相關(guān)的運行數(shù)據(jù)。

對發(fā)電機的功率與轉(zhuǎn)矩控制功能相關(guān)數(shù)據(jù)分析是必不可少的，此功能與年發(fā)電量密切相關(guān)?？刂葡到y(tǒng)的控制策略*終的實現(xiàn)就是通過對發(fā)電機的功率和轉(zhuǎn)矩的控制完成的。因此要對此部分的運行數(shù)據(jù)進行重點的審查，要核對發(fā)電機的運行中性能數(shù)據(jù)與控制策略要求的是否匹配，載荷計算時采用的控制策略與軟件中的控制策略是否一致等。

防雷系統(tǒng)審查

風電機組分散安置在曠野、山頂或沿海區(qū)域，大型風電機組葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）達130m－250m，遭受雷擊概率高；風電機組的電氣絕緣低（發(fā)電機電壓690V、大量使用自動化控制和通信元件）。風電機組是風電場的貴重設(shè)備，價格占風電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發(fā)電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復期間發(fā)電量之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。

風電設(shè)備較大，由于現(xiàn)階段試驗條件不具備，防雷系統(tǒng)無法用試驗的方式測試。

防雷系統(tǒng)由外部防雷與內(nèi)部防雷組成。外部防雷包括：葉片的防雷保護、機艙的防雷保護、塔架及引下線、接地網(wǎng)。內(nèi)部防雷包括：等電位連接、隔離、過電壓保護設(shè)備。設(shè)備啟動前要逐一檢查測試相關(guān)內(nèi)容。根據(jù)多年的運行情況分析，防雷系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)為轉(zhuǎn)動部分與靜止部分的等電位連接，尤其是葉片的根部與輪轂處的連接。初期有部分廠家僅采用一條導線將葉片防雷系統(tǒng)與金屬輪轂相連。

運行中由于導線長度或結(jié)構(gòu)不合理，導線被拉斷，從而使葉片運行時產(chǎn)生的靜電無法導出。若發(fā)生雷擊，短期導出大電流無法實現(xiàn)，此種結(jié)構(gòu)存在很大的風險。近期廠家逐漸重視此結(jié)構(gòu)的改進，連接處使用碳刷傳遞電流，通過兩個碳刷和平行的有間隙的兩個放電導板，越過旋轉(zhuǎn)軸承轉(zhuǎn)移到主機架?，F(xiàn)場運行維護中應(yīng)重點關(guān)注此部分連接方式是否合理。

運行前須對樣機的接地電阻的測試結(jié)果進行核實，以確認其是否滿足防雷系統(tǒng)的需要。

結(jié)語

風電發(fā)展質(zhì)量是關(guān)鍵，國外風電大國都是風電機組制造大國，為支持風電機組制造業(yè)，政府投入了大量的研發(fā)資金，組建政府研發(fā)機構(gòu)進行基礎(chǔ)研究，并建立風電測試平臺。如丹麥政府資助建立的公共測試平臺主要包括試驗風電場和葉片等零部件試驗平臺，并建立完善了風電機組標準及檢測、認證體系。所有風電機組必須通過認證機構(gòu)認證和檢測才能進入市場銷售，即保證了風電機組質(zhì)量，又促進了技術(shù)積累。

目前，我國風電產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系尚不完善，風電技術(shù)標準、產(chǎn)品認證、系統(tǒng)設(shè)計、工程管理等基礎(chǔ)都比較薄弱。但是，在不久的將來，中國風電產(chǎn)業(yè)不僅要成為全球發(fā)展*快的產(chǎn)業(yè)，也要成為發(fā)展*健康的產(chǎn)業(yè)；為實現(xiàn)我國2020年非化石能源消費比重達到15%的目標，中國風電2020年要實現(xiàn)200GW的裝機容量，巨大的市場為風電企業(yè)和從業(yè)者提供了展現(xiàn)自己才華的舞臺。繼續(xù)堅持質(zhì)量為本，技術(shù)**之路，中國風電一定能**全球風電的發(fā)展。

從目前的發(fā)電方式的碳排量來看，煤發(fā)電為275g，油發(fā)電為204g，天然氣發(fā)電為181g，風力發(fā)電為20g。風力發(fā)電的碳排量相比之下小得多。除水電外，風電是開發(fā)技術(shù)*成熟、開發(fā)成本*低，也是未來*具大規(guī)模價值的可再生能源之一。

中國“十二五”規(guī)劃提出的100GW風電裝機目標中，將有至少20GW的份額屬于低風速風電場。譬如，廣西的風場大部分屬于低風速區(qū)，近期開發(fā)的力度加大，而在廣西風力發(fā)電規(guī)劃項目選定的96個風電場選點中，桂林占了48個，可以說，桂林是廣西風力發(fā)電開發(fā)的重點。

建立風場的首要任務(wù)就是要選擇適合于風場地域特點的風電機組。譬如，為適應(yīng)桂林地區(qū)的特殊運行環(huán)境，必須要求風電制造企業(yè)調(diào)整原有設(shè)計方案，并提供調(diào)整方案后樣機的試驗數(shù)據(jù)，以保證調(diào)整方案的合理性。

在風場的運行過程中密切關(guān)注風電機組設(shè)計方案中較為薄弱的環(huán)節(jié)，提高風電機組運行的可靠性。由于近年來風電發(fā)展迅速，部分生產(chǎn)企業(yè)急于占領(lǐng)市場，忽略對調(diào)整方案樣機的測試與試驗，給風電發(fā)展帶來了巨大的隱患。