淺談風(fēng)電機(jī)組選型匹配的方法

內(nèi)蒙古電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 孫立新

通過風(fēng)能資源的全面普查和評(píng)估，內(nèi)蒙古風(fēng)能總儲(chǔ)量為8.98億千瓦，技術(shù)可開發(fā)量為1.5億千瓦，占全國風(fēng)能資源技術(shù)可開發(fā)量的50%，居全國首位。內(nèi)蒙古地區(qū)10米高度可開發(fā)利用的風(fēng)能儲(chǔ)量為1.01億千瓦，50米高度可開發(fā)量為2.02億千瓦，年大于3.0米/秒風(fēng)速的時(shí)間在5000～6000小時(shí)，風(fēng)能豐富區(qū)面積占全區(qū)總面積80%左右，具有分布范圍廣、品位穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)蒙古發(fā)展風(fēng)力發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯，風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目遍地開花，成為發(fā)展新能源的主要市場(chǎng)之一。截止到2020年底，內(nèi)蒙古風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)3786萬千瓦，增長29.7%。

隨著全國風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造的國產(chǎn)化和風(fēng)力發(fā)電的規(guī)?；?，風(fēng)力發(fā)電效率對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)營有舉足輕重的作用和深遠(yuǎn)的影響。我國風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)分布較廣，不同區(qū)域地理特征、氣候條件各不相同，風(fēng)能資源條件差異較大，而我國風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是定型產(chǎn)品，僅能通過風(fēng)電機(jī)組選型及適應(yīng)性分析，確定風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程建設(shè)方案，未能完全反映出充分利用風(fēng)能資源、提高發(fā)電效率及風(fēng)電機(jī)組選型合適匹配。

1 風(fēng)能資源評(píng)估過程及風(fēng)電機(jī)組選型

評(píng)估風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)能資源，是開發(fā)風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的基礎(chǔ)工作。首先宏觀選址，需綜合考慮當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)能資源、經(jīng)濟(jì)、電網(wǎng)、交通、施工、地質(zhì)等多方面的因素；其次評(píng)估風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)選址及風(fēng)能資源適合開發(fā)性優(yōu)劣指標(biāo)，以求最大利用風(fēng)能資源；其后對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)能資源進(jìn)行分析、評(píng)估。

通過對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔原始資料整理、驗(yàn)證及測(cè)風(fēng)年數(shù)據(jù)合理性檢驗(yàn)處理，將測(cè)風(fēng)年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訂正為該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)代表年風(fēng)能數(shù)據(jù)，計(jì)算出測(cè)風(fēng)塔處代表年不同高度的風(fēng)速、風(fēng)功率密度、風(fēng)能頻率分布、風(fēng)向頻率、風(fēng)能密度方向分布、風(fēng)頻曲線、威布爾參數(shù)、風(fēng)切變指數(shù)及湍流強(qiáng)度。

評(píng)估風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)能資源包括平均風(fēng)速、極限風(fēng)速。對(duì)給定的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)區(qū)域及時(shí)間段，平均風(fēng)速的概率分布決定了該風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的風(fēng)能資源情況。用于擬合平均風(fēng)速概率分布的模型有雙參數(shù)Weibull 分布、Rayleigh 分布、LogNormal 分布等，其中雙參數(shù)Weibull 分布模型應(yīng)用最為廣泛。極限風(fēng)速是指在一段時(shí)間(3s、10min）內(nèi)的最大風(fēng)速，用來衡量風(fēng)能資源對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的破壞作用。極限風(fēng)速分布是風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)以及安全運(yùn)行的一個(gè)重要參數(shù)，有多種描述極限值分布的分布形式，其中第一類極值分布或稱為Gumbel 分布是一種擬合極值分布的經(jīng)典、常用形式[1]。

通過確定風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量、發(fā)電機(jī)類型、風(fēng)機(jī)輪轂高度，考慮風(fēng)電機(jī)組安全的統(tǒng)一性進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組選型，根據(jù)風(fēng)電機(jī)組機(jī)型的技術(shù)特征參數(shù)，擬定風(fēng)電機(jī)組布置，利用在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的風(fēng)電機(jī)組功率曲線，對(duì)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量、經(jīng)濟(jì)性，以及運(yùn)輸、吊裝條件、集電線路、占用土地等方面對(duì)比，初步確定風(fēng)電機(jī)組型式，最后對(duì)選定風(fēng)電機(jī)組機(jī)型進(jìn)行機(jī)位優(yōu)化布置[2]。

在擬定風(fēng)機(jī)輪轂高度時(shí)，首先確定風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)能資源狀況，即輪轂高度處代表年平均的風(fēng)速、風(fēng)功率密度及等級(jí)、風(fēng)向頻率、風(fēng)能密度方向分布、風(fēng)頻曲線及威布爾參數(shù)、湍流強(qiáng)度值及50年一遇最大風(fēng)速和極大風(fēng)速，并提出對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)要求。當(dāng)風(fēng)機(jī)輪轂高度高于測(cè)風(fēng)塔高度時(shí)，利用風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)代表年不同高度風(fēng)速系列擬合風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)切變值，采用指數(shù)律對(duì)測(cè)風(fēng)塔近地面風(fēng)廓線分布規(guī)律進(jìn)行擬合。

風(fēng)切變指數(shù)計(jì)算：?=lg(v2/v1)/lg(h2/h1)，其中：?為風(fēng)切變指數(shù)，無量綱；v1為h1高度的風(fēng)速，m/s。風(fēng)切變指數(shù)可描述風(fēng)矢量在垂直方向上的空間變化情況，風(fēng)電機(jī)組選型時(shí)，風(fēng)切變?cè)酱螅跐M足機(jī)組運(yùn)行安全與施工條件下，應(yīng)提高輪轂高度。陜西省某50MW 風(fēng)電場(chǎng)工程擬定風(fēng)機(jī)輪轂高度90米，選取單機(jī)容量2200～2500kW 共4種不同類型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行比選（表1）。

表1 風(fēng)電機(jī)組機(jī)型特征參數(shù)表

圖1 風(fēng)電機(jī)組功率曲線圖

圖2 風(fēng)電機(jī)組功率標(biāo)幺曲線圖

風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)方案一到四的機(jī)型為WTGS2200/WTGS2200/WTGS2500A/WTGS2500B；單機(jī)容量為2200/2200/2500/2500；總裝機(jī)容量（MW）為50.6/50.6/50/50；臺(tái)數(shù)為23/23/20/20；輪轂高度（m）為90/90/90/90；風(fēng)輪直徑（m）為131/131/140/141；平均年理論發(fā)電量（GW.h）為8.616/8.609/9.881/9.881；尾流損失（%）為7.5/7.2/7.1/6.7。不難看出，在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)總裝機(jī)容量及用地范圍不變情況下，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑和容量越小裝機(jī)臺(tái)數(shù)就越多，其尾流影響越高發(fā)電能力越低。相對(duì)WTGS2500B 機(jī)型雖然風(fēng)輪直徑最大、尾流影響最低，但其發(fā)電能力未得明顯提高，這就需要解決風(fēng)電機(jī)組選型匹配問題。

2 風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性分析

風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性分析是在確定風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)論和風(fēng)電機(jī)組機(jī)位情況下進(jìn)行，故需進(jìn)行微觀選址工作，并復(fù)核風(fēng)機(jī)輪轂高度處風(fēng)能資源評(píng)估結(jié)果。微觀選址時(shí)需要考慮風(fēng)電機(jī)組設(shè)備實(shí)際運(yùn)輸能力、吊裝平臺(tái)和基礎(chǔ)施工的可行性，并優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組機(jī)位。

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)空氣密度直接影響風(fēng)能的大小，在同等風(fēng)速條件下，空氣密度越高，風(fēng)能越大。根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)塔的實(shí)測(cè)溫度和氣壓數(shù)據(jù)，推算風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)實(shí)際空氣密度計(jì)算公式為：ρ=p/(RT)，其中：ρ 為空氣密度，kg/m3；p 為平均大氣壓，Pa；R 為空氣常數(shù)，287J/kg.K；T 為絕對(duì)溫度，零下273.15℃。

按照《風(fēng)電設(shè)備制造行業(yè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》要求，選用國產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)具有一定先進(jìn)性，一般風(fēng)電機(jī)組動(dòng)態(tài)功率曲線保證率不低于96%，可利用率不低于96%。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處代表年平均風(fēng)速、平均風(fēng)功率密度、標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下50年一遇最大風(fēng)速及極大風(fēng)速、14.5～15.5米/秒時(shí)的湍流強(qiáng)度和國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求》（GB/T18451.1-2012/IEC61400-1:2005），按表2確定風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)。陸地風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)為非近海安裝的風(fēng)電機(jī)組，可按一般安全等級(jí)要求風(fēng)電機(jī)組[3]。

表2 風(fēng)電機(jī)組等級(jí)基本參數(shù)表

最終確定風(fēng)電機(jī)組選型、風(fēng)電機(jī)組機(jī)位后，根據(jù)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)實(shí)際空氣密度下風(fēng)電機(jī)組的功率與推力曲線，重新計(jì)算各發(fā)電機(jī)組實(shí)際發(fā)電量。風(fēng)電機(jī)組設(shè)備廠商計(jì)算20年壽命下各部件等效疲勞荷載，確定風(fēng)電機(jī)組機(jī)型是否適用于該風(fēng)場(chǎng)。

3 風(fēng)電機(jī)組選型匹配

我國生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組是定型產(chǎn)品，僅能通過風(fēng)電機(jī)組適應(yīng)性分析確定風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程建設(shè)方案。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明，即使在同一風(fēng)電場(chǎng)中（如擴(kuò)建、續(xù)建），盡管風(fēng)能資源大體相同，采用常用的“風(fēng)電場(chǎng)年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)”和“風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)”僅客觀反映出風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)能資源的特性，用來判定不同特性的風(fēng)電機(jī)組獲得的風(fēng)能資源利用效益確有較大差別，參數(shù)越高反映風(fēng)能資源越豐富，顯然與實(shí)際情況不符。

任何能量形式轉(zhuǎn)換均有轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)電機(jī)組并不能將所有流經(jīng)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換成電能，理論上最高轉(zhuǎn)換效率為59%。受諸多因素的影響不同風(fēng)速條件下風(fēng)電機(jī)組發(fā)電最高效率是不同的，發(fā)電效率隨風(fēng)速特性的不同而變化，實(shí)際風(fēng)電機(jī)組效率在20～50%之間，變化幅度極大。為能解決風(fēng)電機(jī)組選型匹配問題，在風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率定義基礎(chǔ)上，本文引入“風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效率”和“風(fēng)電機(jī)組容量系數(shù)”概念，能較準(zhǔn)確判別風(fēng)電機(jī)組選型匹配優(yōu)劣。

3.1 風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效率

在單位時(shí)間內(nèi)流過垂直于風(fēng)電機(jī)組掃風(fēng)面積的風(fēng)能，即風(fēng)功率為：w=1/2ρv3A，式中：w 為風(fēng)能，W；ρ 為空氣密度，kg/m3；v 為風(fēng)速，m/s；A 為風(fēng)輪掃掠面積，m2。風(fēng)輪從風(fēng)中吸收的功率為：P=1/2CPAρv3，式中：P 為風(fēng)電機(jī)組的輸出功率；CP為風(fēng)輪的功率系數(shù)，貝茲極限CP=16/27≈0.59；A 為風(fēng)輪掃掠面積，m2；ρ 為空氣密度,kg/m3；v為風(fēng)速，m/s。

風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效率定義為η=AEP/E，其既考慮了輪轂高度處年平均風(fēng)功率密度，又考慮了風(fēng)電機(jī)組的掃風(fēng)面積、功率特性和推力系數(shù)重要特征參數(shù)。風(fēng)電場(chǎng)發(fā)電效率越高，說明選擇的風(fēng)電機(jī)組利用風(fēng)能資源的效率越高。

3.2 風(fēng)電機(jī)組容量系數(shù)

一年8760小時(shí)內(nèi)全部風(fēng)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，不考慮尾流效應(yīng)的理論發(fā)電量為：Q=n×8760×Prated，式中：n 為風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)；Prated為風(fēng)電機(jī)組的額定容量，W。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)實(shí)際的年理論發(fā)電量為：，式中：P(v)為風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速為 的發(fā)電功率，W；f(v)為風(fēng)速分布概率，一般為威布爾（Weibull）分布；v1為風(fēng)電機(jī)組切入風(fēng)速，m/s；v2為風(fēng)電機(jī)組切出風(fēng)速，m/s。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)年理論發(fā)電量可采用常規(guī)的WAsP、WT 等軟件計(jì)算得到。

風(fēng)電機(jī)組容量系數(shù)定義為，其考慮了輪轂高度處風(fēng)速特性與風(fēng)電機(jī)組的功率特性的匹配性。風(fēng)電機(jī)組容量系數(shù)越高，說明選擇的風(fēng)電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的時(shí)間越長。

綜上，風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)工程建設(shè)，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)營效益具有舉足輕重的作用和深遠(yuǎn)的影響。影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電量的主要因素是風(fēng)能資源利用與風(fēng)電機(jī)組選型匹配和風(fēng)電機(jī)組布置方案。對(duì)于一個(gè)特定的風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)風(fēng)能資源是無法改變的固有條件，按照風(fēng)能資源評(píng)估方法完成風(fēng)能資源評(píng)估不會(huì)出現(xiàn)較大的差異；而風(fēng)電機(jī)組選型與布置方案直接影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)發(fā)電效益，采用統(tǒng)一的“風(fēng)電場(chǎng)年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)”和“風(fēng)電場(chǎng)容量系數(shù)”指標(biāo)，未能完全反映出風(fēng)能資源利用與風(fēng)電機(jī)組發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益。