DQZHAN技術(shù)訊：低風(fēng)速風(fēng)電場風(fēng)電機組選型探討

風(fēng)能是潔凈環(huán)保的可再生能源，人類對風(fēng)能的利用至少已經(jīng)有3000年歷史，由于受到當(dāng)時經(jīng)濟、技術(shù)方面的因素制約，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢。19世紀(jì)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(fēng)電機組。二十世紀(jì)，風(fēng)力發(fā)電事業(yè)在全球范圍內(nèi)蓬勃發(fā)展，風(fēng)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(fēng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

全球風(fēng)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(fēng)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(fēng)電大國。

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

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

風(fēng)電機組葉片作為風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組設(shè)備的20%－30%，因此提高葉片的性能一直是風(fēng)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(fēng)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(biāo)。

企業(yè)進行低風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)輪進行了性能校核計算，葉片風(fēng)能利用系數(shù)及額定風(fēng)速（輪轂高度均勻風(fēng)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(rèn)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(fēng)電機組的切入/切出風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組的啟動風(fēng)速。低風(fēng)區(qū)風(fēng)電機組的切入風(fēng)速一般都選擇較低風(fēng)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(fēng)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(fēng)電機組葉片及塔筒參數(shù)變化后，葉片收集的風(fēng)能也隨之變化。變槳系統(tǒng)是風(fēng)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(fēng)能的捕捉，從而使風(fēng)輪停止轉(zhuǎn)動，避免發(fā)生風(fēng)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(fēng)區(qū)機型設(shè)計時希望減少成本，認(rèn)為低風(fēng)速區(qū)大風(fēng)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。現(xiàn)階段各標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)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(biāo)《風(fēng)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(zhǔn)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(fù)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(rèn)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(rèn)是不夠充分的。

偏航系統(tǒng)審查

偏航系統(tǒng)是水平軸式風(fēng)電機組必不可少的組成系統(tǒng)之一，對風(fēng)電機組利用風(fēng)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(fēng)電機組的控制系統(tǒng)相互配合，使風(fēng)電機組的風(fēng)輪始終處于迎風(fēng)狀態(tài)，充分利用風(fēng)能，提高風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(dāng)風(fēng)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(dǎo)致齒輪箱承受部分交變應(yīng)力減少使用壽命。

風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)電系統(tǒng)是典型的復(fù)雜多變量非線性系統(tǒng)，受干擾因素很多，除了風(fēng)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(fēng)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(dāng)于風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(dǎo)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(rèn)方法是否合理，是否對參數(shù)的變化范圍進行了確認(rèn)。

現(xiàn)階段風(fēng)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(dāng)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(fēng)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(fēng)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(biāo)后的報警，液壓系統(tǒng)的壓力超壓或欠壓的報警，風(fēng)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)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(fēng)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(fēng)電機組分散安置在曠野、山頂或沿海區(qū)域，大型風(fēng)電機組葉片高點（輪轂高度加風(fēng)輪半徑）達130m－250m，遭受雷擊概率高；風(fēng)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(fēng)電機組是風(fēng)電場的貴重設(shè)備，價格占風(fēng)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(fù)期間發(fā)電量之外，還要負(fù)擔(dān)受損部件的拆裝和更新的巨大費用。

風(fēng)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(dǎo)線將葉片防雷系統(tǒng)與金屬輪轂相連。

運行中由于導(dǎo)線長度或結(jié)構(gòu)不合理，導(dǎo)線被拉斷，從而使葉片運行時產(chǎn)生的靜電無法導(dǎo)出。若發(fā)生雷擊，短期導(dǎo)出大電流無法實現(xiàn)，此種結(jié)構(gòu)存在很大的風(fēng)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(dǎo)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(rèn)其是否滿足防雷系統(tǒng)的需要。

結(jié)語

風(fēng)電發(fā)展質(zhì)量是關(guān)鍵，國外風(fēng)電大國都是風(fēng)電機組制造大國，為支持風(fēng)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(fēng)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(fēng)電場和葉片等零部件試驗平臺，并建立完善了風(fēng)電機組標(biāo)準(zhǔn)及檢測、認(rèn)證體系。所有風(fēng)電機組必須通過認(rèn)證機構(gòu)認(rèn)證和檢測才能進入市場銷售，即保證了風(fēng)電機組質(zhì)量，又促進了技術(shù)積累。

目前，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系尚不完善，風(fēng)電技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品認(rèn)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(fēng)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(biāo)，中國風(fēng)電2020年要實現(xiàn)200GW的裝機容量，巨大的市場為風(fēng)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(fēng)電一定能**全球風(fēng)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(fēng)力發(fā)電為20g。風(fēng)力發(fā)電的碳排量相比之下小得多。除水電外，風(fēng)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(fēng)電裝機目標(biāo)中，將有至少20GW的份額屬于低風(fēng)速風(fēng)電場。譬如，廣西的風(fēng)場大部分屬于低風(fēng)速區(qū)，近期開發(fā)的力度加大，而在廣西風(fēng)力發(fā)電規(guī)劃項目選定的96個風(fēng)電場選點中，桂林占了48個，可以說，桂林是廣西風(fēng)力發(fā)電開發(fā)的重點。

建立風(fēng)場的首要任務(wù)就是要選擇適合于風(fēng)場地域特點的風(fēng)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(fēng)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(fēng)場的運行過程中密切關(guān)注風(fēng)電機組設(shè)計方案中較為薄弱的環(huán)節(jié)，提高風(fēng)電機組運行的可靠性。由于近年來風(fēng)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(fēng)電發(fā)展帶來了巨大的隱患。