低风速风电场风电机组选型探讨

文／欧梅义

低风速风电场风电机组选型探讨

文／欧梅义

风能是洁净环保的可再生能源，人类对风能的利用至少已经有3000年历史，由于受到当时经济、技术方面的因素制约，风力发电技术发展缓慢。19世纪70年代世界爆发石油危机之后，欧美等发达国家为寻找能够替代化石燃料的新能源，投入了大量的科研经费与激励政策研制风电机组。二十世纪，风力发电事业在全球范围内蓬勃发展，风电机组单机发电量从最初的kW级发展到现在的MW级，从最初的小型离网型单机发展到现在大型并网型机组。从最初的木制叶片、固定轮毂及侧偏尾舵调速发展到现在的玻璃纤维片、定桨距或变桨距以及偏航对风调节系统。

全球风能理事会（GWEC)2012年3月7日公布的调查结果显示，2010年全年新建风力发电设备的装机总容量排名首位的是中国(16.5GW)，比排名第二的美国(5.12GW)多出2倍多。这意味着中国的装机总容量远超美国，是世界第一风电大国。

从目前的发电方式的碳排量来看，煤发电为275g，油发电为204g，天然气发电为181g，风力发电为20g。风力发电的碳排量相比之下小得多。除水电外，风电是开发技术最成熟、开发成本最低，也是未来最具大规模价值的可再生能源之一。

中国“十二五”规划提出的100GW风电装机目标中，将有至少20GW的份额属于低风速风电场。譬如，广西的风场大部分属于低风速区，近期开发的力度加大，而在广西风力发电规划项目选定的96个风电场选点中，桂林占了48个，可以说，桂林是广西风力发电开发的重点。

建立风场的首要任务就是要选择适合于风场地域特点的风电机组。譬如，为适应桂林地区的特殊运行环境，必须要求风电制造企业调整原有设计方案，并提供调整方案后样机的试验数据，以保证调整方案的合理性。在风场的运行过程中密切关注风电机组设计方案中较为薄弱的环节，提高风电机组运行的可靠性。由于近年来风电发展迅速，部分生产企业急于占领市场，忽略对调整方案样机的测试与试验，给风电发展带来了巨大的隐患。

本文结合在广西地区低风速风区的工作实践经验，主要讨论风场选择风电机组及运行维护应重点关注的几个问题。

风电机组叶片审查

（1）翼型方案审查

低风速区需更优化的叶片，在更低的风速下吸收更多的风能。

风电机组叶片作为风电机组的核心部件之一，其性能质量直接影响整体机组的效率，设计合理的叶片是保证风电机组正常稳定运行的重要因素。另一方面叶片制造成本占风电机组设备的20%－30%，因此提高叶片的性能一直是风电技术研究的方向。叶片的气动设计包括外形设计及气动性能计算，气动外形设计决定了风能利用效率，气动性能计算是评价叶片外形设计的关键指标。

企业进行低风区机型叶片设计时，对结构强度计算比较重视，常常忽视对叶片的气动外形的设计。风电机组运行环境变化，原有叶片气动外形设计方案应进行调整，才能满足在特定的风速分布下年发电量最大的要求。选型时应了解企业对调整后的叶片气动外形优化设计方案，是否用气动性能计算程序对三叶片风轮进行了性能校核计算，叶片风能利用系数及额定风速（轮毂高度均匀风速）是否具有良好的空气动力性能。

选型要重点分析企业对叶片外形设计方案采用确认方式的合理性，对比分析测试结果与计算结果的差异是否在允许范围内，企业对存在误差的分析的理论依据是否正确。还要核对企业设计方案中载荷计算使用的最佳运行曲线、风电机组的切入/切出风速等关键运行参数是否与样机控制系统中设置的数据一致，此处是设计中各专业组的接口。参与风电机组设计的专业较多，方案的部分功能是各专业组分别进行，容易出现重点数据未进行传递的沟通不畅问题，所以在选型时一定要对两专业使用的同一重要参数进行核对。

（2）叶片材料审查

选用轻质材料的叶片，以降低风电机组的启动风速。低风区风电机组的切入风速一般都选择较低风速，在这样的情况下，由于叶片质量过重造成其转动惯量过大，叶片的本身阻力造成其启动困难，在实际运行中可能会发生在设计的风电机组切入转速时无法并网发电的现象。

变桨系统审查

风电机组叶片及塔筒参数变化后，叶片收集的风能也随之变化。变桨系统是风电机组在紧急停机时工作的重要部件之一，其驱动系统保证了在出现故障需要紧急停机时机组叶片迅速转动角度，在较短的时间内减少对风能的捕捉，从而使风轮停止转动，避免发生风轮超速而引发的重大财产或人身损害。生产企业进行低风区机型设计时希望减少成本，认为低风速区大风发生的概率很小往往会降低安全系数。所以选型时要核对变桨驱动系统的电机扭矩，是否能保证在载荷最大时驱动桨叶转动且转动速度达到变桨速率的要求，安全裕度是否足够。还要核对变桨系统的应急电源的容量是否满足三次连续变桨的要求。现阶段各标准要求不一，用户希望安全裕度取大些，但生产厂家希望降低成本。由制造厂家参与编制的国家能源局颁发的标准《风电机组电动变桨控制系统技术规范》NB/T31018－2011中4.2.9后备电源中要求：“电池后备电源系统：电池组的容量应满足在叶片规定的载荷情况下完成3次紧急顺桨动作的要求”，“电容后备电源系统：电容组的容量应满足叶片在规定载荷情况下完成1次以上顺桨动作要求”。而研究所为主编制的国标《风电机组变速恒频控制系统》GB/T25386.1－2010中第5.2.11后备电源中要求“后备电源的容量设计应至少3次以上满载下的全程顺桨需求”。

在审查时要重点查看样机试验的试验设备中加载设备和变桨速率的测试设备是否满足要求，加载设备能力是否能满足要求，测速设备是否能准确的测量变桨速度。某些生产企业试验时加载的数值采用未考虑安全系数的数值，这样的检验是不能满足要求的。

变桨系统的后备电源方案的审查更加困难，模拟机组运行时满载情况时的变桨载荷对试验设备要求较高，对此资料审查时要核对样机试验方案中确定的变桨载荷满载复核参数是否合理，确定变桨系统满载载荷时的安全裕度是否符合要求。

大部分生产企业对变桨系统后备电源方案的试验以采用样机在现场运行方式替代，此种做法有些不妥，因为对变桨后备电源确认要求在载荷最大条件下进行。现场运行状况与气候条件密切相关，在现场运行的一年内，有可能出现载荷最大值工况的概率较小，在载荷最大值急停的概率更小。所以采用运行现场对变桨系统的后备电源方案进行确认是不够充分的。

偏航系统审查

偏航系统是水平轴式风电机组必不可少的组成系统之一，对风电机组利用风能起着非常巨大的作用。偏航系统的主要作用有两个。其一是与风电机组的控制系统相互配合，使风电机组的风轮始终处于迎风状态，充分利用风能，提高风电机组的发电效率；其二是提供必要的锁紧力矩，以保障风电机组的安全运行。

偏航系统是由回转支撑轴承、弹簧阻尼装置和四台电机驱动的齿轮传动机构组成的。带有内齿的偏航轴承用螺栓连接在塔筒顶部，外环与机舱座连接，内环与塔架法兰连接。偏航驱动机构一般都是由电机、减速机构成。偏航锁紧力矩由数套偏航刹车盘提供。偏航时各刹车盘处于半释放状态，自动解缆时各刹车盘处于全释放状态。

对于低风速区机型，部分国内制造企业为了降低成本，对偏航系统进行设计“优化”，多采用了减少偏航系统的偏航刹车盘数量的方法。设计方案中的计算制动力矩计入了偏航电机的电磁制动的转矩，从而减少了偏航刹车盘的制动转矩。当风载荷产生的扭矩大于偏航制动压力钳的扭矩时，载荷扭矩会传递到偏航系统的减速器齿轮上，因此这样的优化可能会导致齿轮箱承受部分交变应力减少使用寿命。

风电机组运行维护过程中要加大巡检频率，重点关注偏航系统的驱动系统中与电机连接的螺杆及偏航齿轮箱，防其承受交变力提前损坏。

控制系统审查

由于风电机组工作环境恶劣，以及对机组20年长寿命、高可靠性和安全性的特殊要求，对风电机组的重要部件如齿轮箱、发电机等的运行状态监控是极其重要的。风电系统是典型的复杂多变量非线性系统，受干扰因素很多，除了风速的大小和方向随机变化之外，还受电网的参数波动和大气条件及空气密度等因素的影响。风电机组由多个部分组成，而控制系统贯穿到每个部分，相当于风电机组的神经系统。因此控制系统的好坏直接关系到风电机组的工作状态、发电量的多少、以及设备的安全。目前风力发电亟待研究解决的两个问题发电效率和发电质量，都与风电控制系统密切相关，控制软件中参数的设定（如：对风向风速调整的跟随速度等）对机械部件的寿命影响也较大。这些参数的设定既要考虑发电量又要顾及机械部件的使用寿命，最佳运行参数是理论推导与现场运行经验相结合的产物。审查时要密切关注这些参数的确认方法是否合理，是否对参数的变化范围进行了确认。

现阶段风电控制软件多为进口，而国外企业对核心部分的保密程度较高，削弱了国内引进核心技术进行应用开发的基础，所以对自主开发软件的测试尤为重要，大量统计资料表明，软件测试的工作量往往占软件开发总工作量的40%以上，在极端情况测试那种关系人的生命安全的软件所花费的成本可能相当于软件工程其他开发步骤总成本的三倍到五倍，国内生产厂家的测试投入往往不足。

运行过程中要注意对控制软件运行性能数据进行分析，首先收集软件中的监视功能相关的数据，结合现场巡检的情况，核对软件监视功能是否正确合理。监测功能是否覆盖了主要设备状态，

收集数据至少包含：

（1）有关安全运行性能的数据，如：临界转速、临界功率、重要部件过热、发电机短路、振动、电缆缠绕、紧急停车等情况的相关的数据；

（2）监控功能的数据，如监控功能数据应包含转速、功率、风速、电网参数、发电机及齿轮箱和轴承等重要部件的温度、制动设备状况、风向、环境温度、频率和电压、机械零部件运行状况数据；

（3）报警功能的数据，如齿轮箱温度超标后的报警，液压系统的压力超压或欠压的报警，风速超限的报警与处理功能数据；

（4）启动和正常停机、急停功能的数据；

（5）控制策略的实现功能相关数据，如启动阶段的控制方式、并网后功率随转速上升段控制方式、恒频恒功率段的控制方式等数据。

本文以对发电机的控制相关功能相关数据为例说明审查中应关注的重点内容：

首先审查发电机绕组温度监测功能的测试记录。此监测功能是保证绕组温度保持在允许的运行范围内。为此，自监控测量系统必须功能可靠。出厂前也必须对此功能进行测试。

其次对设置参数合理性的评估。对绕组温度极限值的设置合理性进行审查。即使是稍微超过容许的温度值，也会减少发电机的寿命。显著超过这个限值会在短时间内导致电机损坏。绕组温度的极限值一般根据制造商所提供的有关电机绝缘等级的资料来确定。审核发电机的绝缘等级相关的设计及试验资料，核实绕组温度极限值的设置的合理性。值得关注的是：有些发电机的制造厂家为了市场宣传的要求常常夸大电机的绝缘等级，所以在运行时要注意核实发电机型式试验中的温升试验的具体数据，以判断发电机的真实绝缘等级，确保绕组温度极限值的设置的正确性。

还要对软件超出限制的处理能力的数据进行评估。当超过容许的绕组温度，控制系统应降低发电机的功率输出，直至绕组温度低于容许温度。

对过大的电流或功率可能导致机械过载和电气过载时的控制系统的应对功能的运行记录的审查。控制系统必须具有减少超出额定运行值的控制功能。超过最大容许的温度极限值时，风电机组安全保护系统应作出响应。收集的数据应涵盖包含对上述功能相关的运行数据。

对发电机的功率与转矩控制功能相关数据分析是必不可少的，此功能与年发电量密切相关。控制系统的控制策略最终的实现就是通过对发电机的功率和转矩的控制完成的。因此要对此部分的运行数据进行重点的审查，要核对发电机的运行中性能数据与控制策略要求的是否匹配，载荷计算时采用的控制策略与软件中的控制策略是否一致等。

防雷系统审查

风电机组分散安置在旷野、山顶或沿海区域，大型风电机组叶片高点（轮毂高度加风轮半径）达130m－250m，遭受雷击概率高；风电机组的电气绝缘低（发电机电压690V、大量使用自动化控制和通信元件）。风电机组是风电场的贵重设备，价格占风电工程投资60%以上。若其遭受雷击（特别是叶片和发电机贵重部件遭受雷击），除了损失修复期间发电量之外，还要负担受损部件的拆装和更新的巨大费用。

风电设备较大，由于现阶段试验条件不具备，防雷系统无法用试验的方式测试。

防雷系统由外部防雷与内部防雷组成。外部防雷包括：叶片的防雷保护、机舱的防雷保护、塔架及引下线、接地网。内部防雷包括：等电位连接、隔离、过电压保护设备。设备启动前要逐一检查测试相关内容。根据多年的运行情况分析，防雷系统的薄弱环节为转动部分与静止部分的等电位连接，尤其是叶片的根部与轮毂处的连接。初期有部分厂家仅采用一条导线将叶片防雷系统与金属轮毂相连。运行中由于导线长度或结构不合理，导线被拉断，从而使叶片运行时产生的静电无法导出。若发生雷击，短期导出大电流无法实现，此种结构存在很大的风险。近期厂家逐渐重视此结构的改进，连接处使用碳刷传递电流，通过两个碳刷和平行的有间隙的两个放电导板，越过旋转轴承转移到主机架。现场运行维护中应重点关注此部分连接方式是否合理。

运行前须对样机的接地电阻的测试结果进行核实，以确认其是否满足防雷系统的需要。

结语

风电发展质量是关键，国外风电大国都是风电机组制造大国，为支持风电机组制造业，政府投入了大量的研发资金，组建政府研发机构进行基础研究，并建立风电测试平台。如丹麦政府资助建立的公共测试平台主要包括试验风电场和叶片等零部件试验平台，并建立完善了风电机组标准及检测、认证体系。所有风电机组必须通过认证机构认证和检测才能进入市场销售，即保证了风电机组质量，又促进了技术积累。

目前，我国风电产业服务体系尚不完善，风电技术标准、产品认证、系统设计、工程管理等基础都比较薄弱。但是，在不久的将来，中国风电产业不仅要成为全球发展最快的产业，也要成为发展最健康的产业；为实现我国2020年非化石能源消费比重达到15%的目标，中国风电2020年要实现200GW的装机容量，巨大的市场为风电企业和从业者提供了展现自己才华的舞台。继续坚持质量为本，技术创新之路，中国风电一定能引领全球风电的发展。

（作者单位：广西水利电业集团恭城水利电业有限公司）