杜春梅 顏庭煜 鄭雨涵 俞 洋

(1.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，075024；2.國(guó)電東北新能源發(fā)展有限公司彰東風(fēng)電場(chǎng)，123200)

基于風(fēng)資源測(cè)評(píng)的風(fēng)電機(jī)組選型研究
——以遼寧省西北M地區(qū)K風(fēng)場(chǎng)為例

杜春梅1顏庭煜2鄭雨涵1俞 洋1

(1.河北建筑工程學(xué)院信息工程學(xué)院，075024；2.國(guó)電東北新能源發(fā)展有限公司彰東風(fēng)電場(chǎng)，123200)

進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)必須要進(jìn)行機(jī)組的選型，這是后續(xù)工程設(shè)計(jì)的先決條件.而在給定地區(qū)即風(fēng)資源一定的的情況下，為了獲得最佳的經(jīng)濟(jì)效益，就必須高度重視風(fēng)電機(jī)組的選型，其關(guān)系到年發(fā)電量、總投資成本和運(yùn)維成本等.本文以遼西北M地區(qū)K風(fēng)場(chǎng)為例，基于區(qū)域風(fēng)資源測(cè)評(píng)進(jìn)行了K風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組選型研究.

風(fēng)資源；風(fēng)電；機(jī)組；選型；分析

0 項(xiàng)目背景

K風(fēng)電場(chǎng)所處遼寧省西北部M地區(qū)，風(fēng)能資源豐富，地勢(shì)平坦，交通運(yùn)輸和安裝條件較好，適宜規(guī)模開(kāi)發(fā).本項(xiàng)目建設(shè)的K風(fēng)電場(chǎng)49.5 MW新建工程位于擬建設(shè)Q升壓站(計(jì)劃220 kV)東面，初步選用33臺(tái)單機(jī)容量1 500 kW的風(fēng)電機(jī)組，并配套建設(shè)33座箱式變電站，通過(guò)3回35 kV架空集電線路接入Q升壓站.

1 遼寧省西北部M地區(qū)風(fēng)資源分析

擬建設(shè)的49.5 MWK風(fēng)電場(chǎng)選址范圍內(nèi)，根據(jù)某測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)可知，60 m—80 m高度上，年平均風(fēng)速為6.59～7.45 m/s；與之想對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)功率密度為365～465 W/m2.按照現(xiàn)行的《風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能資源評(píng)估方法》(GB-T18710-2002)可以判斷，M地區(qū)K風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目所在區(qū)域風(fēng)功率密度等級(jí)應(yīng)為3級(jí).

判斷K風(fēng)電場(chǎng)所處區(qū)域風(fēng)功率密度等級(jí)為3級(jí).

在M地區(qū)擬建K風(fēng)電場(chǎng)所處的區(qū)域，從年內(nèi)變化看，1月～5月與10～12月平均風(fēng)速和對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)功率密度均屬于相對(duì)較大，而6～10月的平均風(fēng)速則相對(duì)較小.從風(fēng)資源分布的時(shí)間角度看，風(fēng)資源具有隨季節(jié)性變化強(qiáng)烈的特點(diǎn).從大數(shù)據(jù)分析每日風(fēng)資源變化可以得到風(fēng)資源變化的日變化規(guī)律.反映為下午7時(shí)—次日8時(shí)平均風(fēng)速與風(fēng)功率密度相對(duì)較大，而其他時(shí)段則相對(duì)較小.

擬按照的風(fēng)電機(jī)組輪轂高度均在70米附近，根據(jù)測(cè)風(fēng)塔70 m高度的風(fēng)資源數(shù)據(jù)分析，該高度水平上年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾W，而年風(fēng)能主導(dǎo)方向也為SW，具有高度的一致性.分析全年的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，風(fēng)向與風(fēng)能主要方向主要集中在SSW～WSW、NNW～NE扇形區(qū)域.分析月份的風(fēng)資源數(shù)據(jù)，1月、4月主導(dǎo)風(fēng)向和主導(dǎo)風(fēng)能方向均為N；2月、3月、5月～12月的主導(dǎo)風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)能方向均為SW，風(fēng)向隨著季節(jié)的變化較為明顯.理論上推算K風(fēng)電場(chǎng)60 m～85 m(輪轂高度)高度處50年一遇最大風(fēng)速31.5～37.9 m/s；而50年一遇極大風(fēng)速為49.9～51.6 m/s.根據(jù)國(guó)際電工協(xié)會(huì)IEC61400-1(2005)標(biāo)準(zhǔn)判定K風(fēng)電場(chǎng)新建工程50～85 m輪轂高度適宜選擇IECⅢ類及以上等級(jí)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組.

2 K風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的初步選型

2.1 K風(fēng)場(chǎng)初步選型的分析

從國(guó)內(nèi)外尤其是遼寧地區(qū)大規(guī)模開(kāi)發(fā)風(fēng)電的經(jīng)驗(yàn)分析，在現(xiàn)階段的技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)環(huán)境條件下，對(duì)于新建某個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目而言，在進(jìn)行單子容量的計(jì)算與確定時(shí)，首先應(yīng)確定一個(gè)適合該項(xiàng)目的容量范圍，進(jìn)而在該范圍內(nèi)通過(guò)比較技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、成本等諸多要素，選擇一中制造水平相對(duì)成熟、技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯、機(jī)組性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)性較好的機(jī)組型號(hào).

為了響應(yīng)國(guó)家號(hào)召提升風(fēng)電機(jī)組的國(guó)產(chǎn)化水平，宜選用國(guó)內(nèi)廠家或國(guó)外廠家但在國(guó)內(nèi)裝配的機(jī)組，根據(jù)K風(fēng)場(chǎng)所處的地理位置，結(jié)合風(fēng)資源特征和機(jī)組的運(yùn)輸、吊裝條件，在K風(fēng)場(chǎng)建設(shè)中，理論上選擇800 kW～2 000 kW的風(fēng)電機(jī)組.根據(jù)國(guó)內(nèi)外風(fēng)電機(jī)組的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合主要技術(shù)要求，初選WTG850、WTG1500A、WTG1500B、WTG1500C和WTG2000五種代表機(jī)型進(jìn)行比選.

2.2 K風(fēng)場(chǎng)初選的五種風(fēng)電機(jī)組相關(guān)參數(shù)與特性的對(duì)比分析

按照上文初選的五種機(jī)型，有關(guān)參數(shù)如圖1和表1所示.

圖1 五種機(jī)型功率曲線對(duì)比分析

技術(shù)描述技術(shù)數(shù)據(jù)WTG850WTG1500AWTG1500BWTG1500CWTG2000額定功率8501500150015002000切入風(fēng)速33333.5額定風(fēng)速1511.5111112切出風(fēng)速2122252525安全風(fēng)速52.559.552.559.570控制方式變漿變速變漿變速變漿變速變漿變速變漿變速功率因數(shù)-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95-0.95～+0.95葉輪直徑58778282.782.6掃風(fēng)面積26244656532953205363葉輪額定轉(zhuǎn)速30.817.317.319.518發(fā)電機(jī)類型雙饋異步永磁同步雙饋異步雙饋異步永磁同步齒輪箱類型1級(jí)行星2級(jí)斜齒無(wú)1級(jí)行星2級(jí)平行2行星齒1正齒輪無(wú)塔架高度556561.5/7075/8080變槳系統(tǒng)三葉片同時(shí)變漿獨(dú)立變漿獨(dú)立變漿獨(dú)立變漿獨(dú)立變漿

3 K風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)的總體布置

在進(jìn)行K風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)機(jī)位確定也就是風(fēng)電機(jī)組微觀選址的過(guò)程中，理論上看，需要考慮到當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛蔡攸c(diǎn)、風(fēng)機(jī)所在地區(qū)的主要風(fēng)向與主導(dǎo)風(fēng)能方向，附近地面主要障礙物、民宅(村莊)、尾流等因素.從風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程上看，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組把風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能.從流體力學(xué)風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)理論上看，風(fēng)通在過(guò)風(fēng)機(jī)葉片后，風(fēng)速會(huì)顯著下降并且同時(shí)產(chǎn)生湍流，需要足夠長(zhǎng)的距離才能恢復(fù)正常.在環(huán)境相對(duì)理想的情況下，按照該地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向的實(shí)際情況，將風(fēng)機(jī)布置得盡可能間隔很遠(yuǎn)，以減少風(fēng)機(jī)之間的相互影響.但是對(duì)于一定區(qū)域而言，風(fēng)機(jī)的布置距離直接影響風(fēng)電場(chǎng)的占地范圍，也就是將大大降風(fēng)電場(chǎng)單位面積上的風(fēng)電機(jī)組數(shù)量.而風(fēng)機(jī)之間的距離又決定了集電線路的長(zhǎng)度、風(fēng)機(jī)巡視檢修的道路長(zhǎng)短，還要考慮是否覆礦、占地等綜合因素.因此需要相對(duì)集中的進(jìn)行風(fēng)機(jī)的布置.在機(jī)組位置的確定中，往往還需要根據(jù)具體的條件和要求，因地制宜，結(jié)合風(fēng)場(chǎng)大環(huán)境的地形特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的特性參數(shù)，裝機(jī)容量與臺(tái)數(shù)等，進(jìn)行圍觀選址，來(lái)確保在現(xiàn)有狀況下，實(shí)現(xiàn)最大的年利用小時(shí)數(shù)和最小的成本.

擬建設(shè)的K風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)區(qū)位于平原和山地過(guò)度的丘陵地形，從地形上看地勢(shì)起伏波動(dòng)較大.從風(fēng)資源數(shù)據(jù)上看，項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)，主要風(fēng)向和風(fēng)能方向具有較強(qiáng)的一致性.盛行風(fēng)向相對(duì)穩(wěn)定.考慮到K風(fēng)場(chǎng)所在區(qū)域有村莊、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)、退耕還林區(qū)、防護(hù)林等，在實(shí)際選型過(guò)程中，需要考慮風(fēng)機(jī)與上述地理環(huán)境和人文環(huán)境的距離，為了后期運(yùn)行檢修的便利性和減少輸電線路損耗，應(yīng)該將風(fēng)機(jī)布置的相對(duì)集中，同時(shí)盡量避免尾流對(duì)臨近風(fēng)機(jī)可能造成的影響，以充分利用土地資源，降低征地成本，最大限度的實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能資源的科學(xué)利用.

在實(shí)際進(jìn)行微觀選址的過(guò)程中，采用WindFarmer軟件，在風(fēng)資源相對(duì)集中的區(qū)域進(jìn)行機(jī)位的確定.按照“軟件確定、人工修正、綜合考慮”的基本原則設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)的理論位置，根據(jù)風(fēng)機(jī)的理論位置進(jìn)行年發(fā)電量的計(jì)算，通過(guò)比較不同的設(shè)計(jì)方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)最大利用小時(shí)數(shù)(最大發(fā)電量).以增加經(jīng)濟(jì)效益、降低建設(shè)成本為原則，考慮多重設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行優(yōu)化.

K風(fēng)電場(chǎng)地所處區(qū)域形較地勢(shì)情況相對(duì)復(fù)雜，風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量49.5 MW不變的情況下，可以按照前文初選的五種機(jī)型，分別按照符合裝機(jī)容量的風(fēng)機(jī)數(shù)目方案機(jī)型布置與計(jì)算.

4 輪轂高度的優(yōu)化選擇

所列參與選擇的五種機(jī)型，根據(jù)廠家給出的標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的動(dòng)態(tài)功率曲線，計(jì)算各個(gè)機(jī)型分別在不同輪轂安裝高度下的發(fā)電量.WTG1500A，WTG2000機(jī)組廠家推薦了相同的安裝高度；分析比較WTG850、WTG1500B和WTG1500C三種機(jī)型在不同輪轂高度下，理論計(jì)算的發(fā)電量，結(jié)果顯示：WTG850風(fēng)機(jī)輪轂安裝高度由55 m變?yōu)?5 m時(shí)，理論發(fā)電量增加了6.1%；WTG1500B風(fēng)機(jī)輪轂高度由61.5 m增加到70 m時(shí)，發(fā)電量增加了3.3%；WTG1500C風(fēng)機(jī)輪轂高度由65 m增加到75 m、80 m時(shí)，發(fā)電量分別增加了4.4%、6.3%.

根據(jù)上文，可以明顯看到隨著輪轂高度的增加，理論發(fā)電量均有較大的增加，但是必須引起重視的是.輪轂高度的增加勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致塔筒的運(yùn)輸成本、安裝成本和風(fēng)機(jī)的安裝成本有顯著的增加，而由于輪轂高度增加導(dǎo)致的塔基投資成本和塔筒購(gòu)置成本也會(huì)顯著的增加.按照五種比選的機(jī)型，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家的技術(shù)水平、生產(chǎn)情況和商運(yùn)后的安穩(wěn)情況等，K風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)項(xiàng)目參與比選的五種機(jī)型，理論上最適宜的輪轂高度分別為WTG850為65 m，WTG1500A為65 m，WTG1500B為70 m，WTG1500C為75 m，WTG2000為80 m.

5 各機(jī)組發(fā)電量的優(yōu)化選擇

理論上，參與比選的五種機(jī)型均按照單一機(jī)型布置方案進(jìn)行，即在滿足風(fēng)電場(chǎng)額定裝機(jī)容量的情況下，有且只有一種參與比選的機(jī)型.利用WAsP和WindFarmer軟件，可以從理論上估算上述五種機(jī)型布置的風(fēng)場(chǎng)的年理論發(fā)電量，使用軟件可以直接計(jì)算風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不同布置方案中的尾流損失，如表2所示.

表2 不同布置方案中的尾流損失

而在進(jìn)行發(fā)電量的優(yōu)化選擇中，往往還需要根據(jù)空氣密度、尾流、湍流、葉片污染、風(fēng)機(jī)可利用率、功率曲線正確性、站用電損耗、極端天氣停機(jī)、惡劣天氣降容等因素，還需要引入折減系數(shù)，得到比選機(jī)型的年理論上網(wǎng)電量.

6 五種機(jī)型的綜合經(jīng)濟(jì)性比較

進(jìn)行K風(fēng)場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往不能單一的認(rèn)為某種機(jī)型好或者不好，除了年理論發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)、等效滿負(fù)荷運(yùn)行小時(shí)數(shù)這些直觀的數(shù)據(jù)外，還需要綜合考慮道路、箱式變壓器、電纜、集電線路、升壓站等多種對(duì)項(xiàng)目投資或者利潤(rùn)會(huì)造成直接影響的因素.在充分考慮國(guó)內(nèi)新建風(fēng)電場(chǎng)對(duì)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率的要求，結(jié)合風(fēng)機(jī)等設(shè)備的價(jià)格情況，對(duì)參與比選的五種機(jī)型進(jìn)行綜合比較與排名，最終確定符合K風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型與機(jī)位情況.

特別需要注意的是，在綜合經(jīng)濟(jì)性比較的過(guò)程中，增值稅率、維修費(fèi)、折舊費(fèi)、材料費(fèi)、保險(xiǎn)費(fèi)等基礎(chǔ)成本計(jì)算指標(biāo)的取值都應(yīng)該是相同的.各種方案對(duì)比如表3所示.

表3 各種方案對(duì)比

7 K風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組選型的結(jié)論

在給定K風(fēng)電場(chǎng)選型的建議結(jié)論和推薦意見(jiàn)時(shí)，主要綜合考慮以下四個(gè)因素來(lái)確定相關(guān)的方案.一是比選機(jī)型的年理論發(fā)電量、利用小時(shí)數(shù)等直接的技術(shù)數(shù)據(jù)；二是每個(gè)項(xiàng)目方案投資經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否合理，項(xiàng)目建成投產(chǎn)后的抗風(fēng)險(xiǎn)能力.三是該方案上網(wǎng)電價(jià)低，即考慮綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越的機(jī)型方案[1]；四是能夠符合國(guó)家電網(wǎng)與相關(guān)主管部門的最新規(guī)定與標(biāo)準(zhǔn).

根據(jù)表7綜合經(jīng)濟(jì)性比較分析可知，WTG1500B風(fēng)電機(jī)組在理論發(fā)電量、靜態(tài)投資、單位千瓦投資、度電成本等指標(biāo)與其他四種機(jī)型相比具有較明顯的優(yōu)勢(shì).

2009年4月14日國(guó)網(wǎng)公司印發(fā)了《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定(修訂版)》(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)規(guī)定》)和《國(guó)家電網(wǎng)公司風(fēng)電場(chǎng)接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容深度規(guī)定(修訂版)》(以下簡(jiǎn)稱《深度規(guī)定》)的通知.《技術(shù)規(guī)定》第8.1條中提出了對(duì)風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求，并明確指出對(duì)于目前尚不具備低電壓穿越能力且已投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)，應(yīng)積極開(kāi)展機(jī)組改造工作，以具備低電壓穿越能力[2].

對(duì)于雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)，從電力電子上分析，在電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致電壓跌落的情況下，會(huì)導(dǎo)致雙饋感應(yīng)式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)流，而轉(zhuǎn)子側(cè)過(guò)流會(huì)直接導(dǎo)致變流器直流側(cè)電壓的升高，間接導(dǎo)致變流器的電流、有功和無(wú)功產(chǎn)生振蕩.過(guò)流會(huì)損壞變流器，而過(guò)壓會(huì)使發(fā)電子轉(zhuǎn)子繞組絕緣擊穿.

在為K風(fēng)場(chǎng)選型中，根據(jù)廠家提供的相關(guān)技術(shù)資料，推薦選擇的WTG1500B型風(fēng)電機(jī)組采用了轉(zhuǎn)子短路保護(hù)技術(shù)，通過(guò)對(duì)變流器的電流和轉(zhuǎn)子繞組電壓的限制保護(hù)，以此來(lái)維持發(fā)電機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行.以滿足“風(fēng)電機(jī)組具有在電網(wǎng)出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致電壓跌落后能夠保持并網(wǎng)運(yùn)行0.625 s不脫網(wǎng)的低電壓穿越能力”和“風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3 s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組保持并網(wǎng)運(yùn)行.”的技術(shù)要求.

綜上分析，在新建的K風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，總額和比選五種機(jī)型的向光方案，推薦采用WTG1500B型風(fēng)機(jī)，根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量，理論應(yīng)安裝33臺(tái)WTG1500B型風(fēng)電機(jī)組，推薦輪轂安裝高度為70米.相關(guān)設(shè)計(jì)方案和比選方案可以作為風(fēng)機(jī)圍觀選址、優(yōu)化布置、線路設(shè)計(jì)等相關(guān)工作的技術(shù)依據(jù)與參考.

8 結(jié) 語(yǔ)

本文以遼寧省西北部M地區(qū)K風(fēng)場(chǎng)為例，介紹了基于區(qū)域風(fēng)資源測(cè)評(píng)的風(fēng)電機(jī)組選型研究.從理論上選擇了最適合K風(fēng)場(chǎng)安裝的WTG1500B風(fēng)電機(jī)組，以K風(fēng)場(chǎng)能取得最大的經(jīng)濟(jì)效益.

[1]楊光.風(fēng)電場(chǎng)工程可行性分析的關(guān)鍵技術(shù)與方法[D].華北電力大學(xué)(北京),2013

[2]中國(guó)電力出版社. “Q / GDW 432—2010風(fēng)電調(diào)度運(yùn)行管理規(guī)范”[M].中國(guó)電力出版社,2010

Research on Wind Turbine Selection Based on Wind Resource Assessment——A Case Study of K Wind Power Field in M Area of Northwest of Liaoning Province

DUChun-mei1，YANTing-yu2，ZHENGYu-han1,YUYang1

(1.Hebei University of Architecture,Zhangjiakou,Hebei 075024;2.Zhangdong Wind Power Field,Northeast New Energy Development Co.,Ltd,State Grid)

To design wind power field,the wind turbine must be selected first,which is the prerequisite of subsequent engineering design.In a given region with certain wind resources,in order to obtain the best economic benefit,great importance must be attached to the wind turbine selection,which would influence the annual generating capacity,total investment cost and operation cost.Taking K Wind Power Field in M Area of Northwest of Liaoning Province as an example,based on regional wind resource assessment,wind turbine selection of K Wind Farm is research in this paper.

wind resource;wind power;turbine;selection;analysis

2016-06-20

杜春梅(1979-)，女，副教授，從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究.

TM 315

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