崔煒 艾斯卡爾

過去十幾年間，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，各種創(chuàng)新技術(shù)陸續(xù)實現(xiàn)了工程化應(yīng)用，風(fēng)電機(jī)組性能得到了顯著提升，產(chǎn)業(yè)裝備制造業(yè)迅速崛起，產(chǎn)業(yè)鏈逐年成熟，開發(fā)投資成本不斷下降，我國風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的長期發(fā)展基礎(chǔ)已經(jīng)形成。但是，在發(fā)展過程中，由于各種原因，也曾出現(xiàn)過“消納難”“棄風(fēng)率高”等問題，導(dǎo)致一部分風(fēng)電場的盈利能力達(dá)不到預(yù)期。與此同時，隨著風(fēng)電裝機(jī)規(guī)模的不斷增加，我國風(fēng)電的開發(fā)理念逐步從重視規(guī)模向重視效益轉(zhuǎn)變，關(guān)注重點也從風(fēng)電機(jī)組選型、風(fēng)電場開發(fā)等“前端工作”向風(fēng)電場運維等“后端工作”延伸。在此背景下，智慧風(fēng)電場應(yīng)運而生。

為風(fēng)電場注入“智慧”特性實際上就是為了實現(xiàn)風(fēng)電場綜合效益的最大化。目前，關(guān)于智慧風(fēng)電場的有關(guān)研究和工程示范已經(jīng)比較常見，但少有關(guān)于智慧風(fēng)電場節(jié)能增效方面的詳細(xì)論述。本文從智慧風(fēng)電場的運行、維護(hù)、管理等維度，對我國智慧風(fēng)電場能效管理存在的問題進(jìn)行淺析，研究智慧風(fēng)電場能效管理的可行方案，并對智慧風(fēng)電場的能效管理發(fā)展前景進(jìn)行展望。

智慧風(fēng)電場及其優(yōu)勢

一、智慧風(fēng)電場簡述

從風(fēng)電場運營角度來看，“高效”“可靠”“低成本”始終是備受關(guān)心的核心問題。近年來，風(fēng)電機(jī)組供貨商、風(fēng)電場開發(fā)商以及處在產(chǎn)業(yè)鏈上游的部件供應(yīng)商、科研院所等單位都圍繞著這三點，不斷給風(fēng)電場注入“智慧”的元素。歸納發(fā)現(xiàn)，通常所談及的智慧風(fēng)電場的核心功能是：依托先進(jìn)傳感技術(shù)和感知技術(shù)，感知外部環(huán)境和自身狀態(tài)，并利用互聯(lián)網(wǎng)、智能控制、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)信息與信號的快速、準(zhǔn)確交互，提高自身的自我學(xué)習(xí)、修正能力，使系統(tǒng)運行更加智能，使維護(hù)等運營工作更加便利，助力系統(tǒng)級協(xié)同決策，最終實現(xiàn)風(fēng)電場綜合效益的最大化。

二、智慧風(fēng)電場優(yōu)勢

風(fēng)電場“智慧化”最終是為了實現(xiàn)風(fēng)電場綜合效益的最大化。從此角度來看，智慧風(fēng)電場的優(yōu)勢如下：

設(shè)備或系統(tǒng)的“智慧化”將帶來顯著效益。實際上，智慧風(fēng)電場還有一個潛臺詞，即：“前期規(guī)范化、設(shè)計數(shù)字化、設(shè)備智能化、建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化”?？梢?，“智慧”已開始貫穿于風(fēng)電場的設(shè)計、建設(shè)、運行、維護(hù)和管理等多個層面。僅從設(shè)備角度來看，隨著傳感/感知技術(shù)和智能控制技術(shù)的進(jìn)步，已有設(shè)備或系統(tǒng)開始得到“智慧化”改造，也出現(xiàn)了具有“智慧”特性的部件或子系統(tǒng)，使風(fēng)電場變得更加“智慧”，并具有更低的成本和更高的效益。如，近幾年開始采用的激光雷達(dá)方案，使風(fēng)電機(jī)組設(shè)備更好地感知風(fēng)速變化，在降低載荷、提升發(fā)電量、提高機(jī)組運行穩(wěn)定性等方面起到了非常顯著的作用。像風(fēng)電場功率預(yù)測系統(tǒng)、風(fēng)電場無功功率電壓控制系統(tǒng)（AVC，Automatic Voltage/Var Control）等場級控制系統(tǒng)也在不斷引入智能控制、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)，使風(fēng)電場運行在最佳模式下，進(jìn)而降低發(fā)電成本，降低損耗，提高發(fā)電量，提升效益。

“智慧”運維是降本增效的利器。風(fēng)電場的運維模式基本上包括三個類別，即：故障檢修、定期檢修和狀態(tài)檢修。其中，故障檢修的成本不僅取決于運維人員的操作熟練度、天氣情況、備件儲備情況等多種因素，而且還與整個風(fēng)電場的發(fā)電量收益、故障后設(shè)備可靠性等緊密關(guān)聯(lián)：定期檢修的成本與運維頻次、運維間隔等因素有關(guān);狀態(tài)檢修是指利用風(fēng)電機(jī)組在線或離線狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的相關(guān)狀態(tài)信息，結(jié)合在線或離線診斷系統(tǒng)的診斷結(jié)果而制定的運維工作，難度比較大，更需要“智慧”?？梢?，從風(fēng)電場的運維模式角度來說，無論是故障檢修、定期檢修還是狀態(tài)檢修，都與當(dāng)時的天氣情況、備件儲備情況、數(shù)據(jù)管理、設(shè)備狀態(tài)感知系統(tǒng)和后臺管理等有關(guān)。目前，智慧風(fēng)電場所使用的功率預(yù)測系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)手段，已經(jīng)把天氣預(yù)報、功率預(yù)測的精度和準(zhǔn)確度提高到較高的水平：可視化的運維手冊、視頻對話等措施較好彌補了運維人員在操作技能上的不足：基于設(shè)備健康狀態(tài)的備件管理方式、預(yù)報式/預(yù)警式運維管理平臺等系統(tǒng)使智慧風(fēng)電場運維工作變得更加“智慧”，已經(jīng)帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益，未來還會得到長足發(fā)展。智慧風(fēng)電場能效問題淺析

智慧風(fēng)電場一次系統(tǒng)如圖1所示。由圖1可知，從智慧風(fēng)電場系統(tǒng)角度來看，與風(fēng)電場能效問題高度關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)有：風(fēng)電機(jī)組、風(fēng)電機(jī)組自用電變壓器及其下口的風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部負(fù)荷、風(fēng)電機(jī)組電網(wǎng)側(cè)端口的箱式變壓器系統(tǒng)、風(fēng)電場升壓變電站配電變壓器及其下口的場內(nèi)各類負(fù)荷、風(fēng)電場主變壓器、風(fēng)電場無功補償設(shè)備和各回送電線路。

在智慧風(fēng)電場條件下，能效管理的最終目標(biāo)其實就是實現(xiàn)內(nèi)部用電量和內(nèi)部損耗的最小化。其中，用電量主要與場內(nèi)的各用電設(shè)備或子系統(tǒng)的智慧設(shè)計、智慧選型、智慧運維、控制智能化水平等因素有關(guān)：內(nèi)部耗電主要與整場的規(guī)劃設(shè)計、場內(nèi)子系統(tǒng)或電氣設(shè)備的設(shè)計指標(biāo)、場內(nèi)子系統(tǒng)或電氣設(shè)備的運維智慧化水平等因素有關(guān)。當(dāng)然，用電量和內(nèi)部耗電緊密關(guān)聯(lián)，用電量大，內(nèi)部耗電也大。

本文暫不考慮智慧風(fēng)電場能效管理中的設(shè)計因素，僅從設(shè)備的用電量和損耗角度，對已有智慧風(fēng)電場能效管理所存在的問題展開剖析，并給出方向性建議。

一、提高PWT-out

在智慧風(fēng)電場條件下，提升風(fēng)電機(jī)組單機(jī)的發(fā)電量有很多種思路，應(yīng)視具體情況而定。經(jīng)研究分析可知，可以嘗試的辦法有如下幾類：

（一）硬件的清洗與修補

對于運行時間較長的風(fēng)電機(jī)組而言，關(guān)鍵部件的老化或受損將會對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電量產(chǎn)生顯著影響。以葉片為例，當(dāng)表面出現(xiàn)污跡、腐蝕、砂眼或出現(xiàn)局部損傷的時候，葉片的氣動性能將會下降。進(jìn)而使葉片的輸出功率下降。以變流器、發(fā)電機(jī)等功率部件為例，灰塵、污跡等必將影響其散熱效果，導(dǎo)致絕緣老化，損耗增加，進(jìn)而影響機(jī)組的發(fā)電量和可靠性?？梢?，必要的清洗和修補有利于機(jī)組發(fā)電量的提升。一般風(fēng)電場的運維工作通過“肉眼”檢查，不夠智慧，不講效率，不重視“預(yù)警”，風(fēng)電機(jī)組及其內(nèi)部硬件的清洗與修補同發(fā)電量和能耗之間的關(guān)系被忽略。在智慧風(fēng)電場條件下，我們可通過先進(jìn)的感知能力或通過更加智能的數(shù)據(jù)分析能力。自動識別出設(shè)備部件的受損情況和老化趨勢、灰塵的堆積程度等信息，以便進(jìn)行對應(yīng)的清洗和修補操作。

（二）硬件的更換或升級

過去，技術(shù)的更新?lián)Q代需要較長的時間。近年來，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以后，技術(shù)的更新?lián)Q代變得迅速，更替速度前所未有。以葉片擾流發(fā)生器為例，通過有關(guān)文獻(xiàn)可知，如果把葉片擾流發(fā)生器安裝在合適的位置，可使年捕獲功率顯著增加。再以風(fēng)速測量用元器件為例，技術(shù)更先進(jìn)的激光雷達(dá)的使用，能夠準(zhǔn)確獲取風(fēng)速和風(fēng)向的變化，對風(fēng)電機(jī)組單機(jī)發(fā)電量提升的效果比較明顯?？梢?，部件的更換或技術(shù)的升級。對風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量提升的影響相當(dāng)顯著。目前，多數(shù)場內(nèi)設(shè)備的智能化水平低，設(shè)備的節(jié)能特性差，系統(tǒng)控制不夠“智慧”;此外，受風(fēng)電機(jī)組可利用率指標(biāo)和新設(shè)備投運所需的樣機(jī)檢驗周期的限制，基于新技術(shù)的硬件設(shè)備批量應(yīng)用的時間成本較高。在智慧風(fēng)電場條件下，信息獲取更加容易，海量數(shù)據(jù)的分析處理更簡單、快速，我們可通過模擬計算風(fēng)能資源的流場分布。確定出更加合理的硬件設(shè)計指標(biāo)，如葉片長度、塔架高度、機(jī)組間距等。此外，機(jī)端儲能裝備、激光雷達(dá)等諸多硬件更換和升級類技術(shù)措施若能與整機(jī)控制有效匹配，也能顯著提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，并收獲節(jié)能效益。

（三）設(shè)計或算法優(yōu)化

從設(shè)計或算法角度來看，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)的平臺化設(shè)計和風(fēng)電機(jī)組整機(jī)控制的MPPT（Maximum Power PointTracing，最大風(fēng)能追蹤）等控制算法或啟停機(jī)等控制流程如果能夠被注入“智慧”元素，則必將帶來一定的發(fā)電量提升，但其關(guān)鍵在于能否在工程實踐中得以應(yīng)用。對此，部分制造廠家已進(jìn)行了較為深入的研究并初見效果。以風(fēng)電機(jī)組待機(jī)流程為例，對于風(fēng)冷變流器而言，可根據(jù)當(dāng)時的電網(wǎng)情況、環(huán)境溫度來確定IGBT調(diào)制的最佳開啟時刻，并根據(jù)IGBT溫度來智能控制冷卻風(fēng)扇的變頻控制，以達(dá)到節(jié)能增效目的。目前，受制于基礎(chǔ)科學(xué)方面的認(rèn)知水平，我國研制的風(fēng)電機(jī)組度電成本還偏高，整機(jī)控制軟件的“智慧”特性還有偏差，智慧風(fēng)電場所提供的信息資源沒被充分利用，在確定的硬件條件下的發(fā)電量和節(jié)能潛力未被充分挖掘。

二、降低△P_demand

一般而言，從智慧風(fēng)電場電氣設(shè)備選型設(shè)計角度，△P_demand實際上就是風(fēng)電場內(nèi)部各用電負(fù)荷額定功率之和，并不是用電負(fù)荷實際的用電需求（按照目前的智慧風(fēng)電場運行管理方式，并沒有統(tǒng)一、連續(xù)、系統(tǒng)地針對風(fēng)電場內(nèi)部各電氣設(shè)備實際用電量數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測和長時間跟蹤分析）?？梢姡覀儾⒉磺宄嶋H△P_demand的變化規(guī)律，更不知道△P_demand的各個特征量，故無法通過實際的△P_demand統(tǒng)計數(shù)據(jù)來優(yōu)化后期同類電氣設(shè)備的額定參數(shù)?？梢姡鱌_demand只取決于設(shè)備供應(yīng)商或設(shè)計院早期的選型設(shè)計和相關(guān)的廠內(nèi)模擬實驗。因此，目前使用的△P_demand數(shù)據(jù)是存在偏差的，曾經(jīng)選用的電氣設(shè)備并不是最優(yōu)的，更何況有關(guān)單位使用的是“設(shè)計終身責(zé)任制”制度，產(chǎn)品的安全裕度因設(shè)計理念、內(nèi)部管理等因素也大不相同，產(chǎn)品設(shè)計依據(jù)的技術(shù)規(guī)范不統(tǒng)一，優(yōu)質(zhì)設(shè)備（是指可利用率高、效率高、可維護(hù)性高的產(chǎn)品）和劣質(zhì)設(shè)備在系統(tǒng)中并存。此外，智慧風(fēng)電場的信息資源沒能得到有效利用，工程實踐中的海量數(shù)據(jù)未被“智慧”處理，產(chǎn)品的設(shè)計和工程應(yīng)用實踐沒能形成有效閉環(huán)。以風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部用電負(fù)荷為例，其節(jié)能潛力非常大。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部用電負(fù)荷實際的用電量與環(huán)境條件、風(fēng)電機(jī)組設(shè)計、風(fēng)電機(jī)組運行控制、風(fēng)電機(jī)組部件選型等諸多環(huán)節(jié)有關(guān)，但無論是在設(shè)計環(huán)節(jié)還是在后期的產(chǎn)業(yè)化環(huán)節(jié)，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)制造商一般都更重視設(shè)備的度電成本和產(chǎn)業(yè)化成本，都會選取成本低、可靠性高的部件，不輕易更改運行多年的成熟控制邏輯。實際上。對風(fēng)電機(jī)組而言，冷卻風(fēng)扇的變頻控制、待機(jī)模式下的負(fù)荷控制、節(jié)能電機(jī)等諸多措施能夠為風(fēng)電場的精細(xì)化經(jīng)營帶來可觀的節(jié)能空間和節(jié)能效益，但由誰來承擔(dān)使用節(jié)能電機(jī)所增加的額外成本，又由誰享受因此而帶來的節(jié)能效益，值得反思。

三、降低△P_demand

電氣設(shè)備的△P_demand實際上正比于設(shè)備的用電需求△P_demand用電量大，用電時間長，則△P_demand也會大。但是，決定電氣設(shè)備△P_demand大小的不僅僅是電氣設(shè)備的△P_demand，△P_loss還與設(shè)備所使用的材料、工藝。甚至設(shè)備的運行控制方式、設(shè)備的管理等諸多因素有關(guān)。以風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)端口的箱式變壓器為例，也存在一定程度的△P_loss可降低空間。其中，容量的合理選擇最為關(guān)鍵。在智慧風(fēng)電場條件下，設(shè)備狀態(tài)信息資源比較豐富，可以對其進(jìn)行長期跟蹤，形成閉環(huán)，最終確定最佳容量。

四、降低P_pay

降低P_pay本質(zhì)上取決于風(fēng)電場用電管理和風(fēng)電場用能環(huán)節(jié)的技術(shù)改進(jìn)，但應(yīng)避免“得不償失”現(xiàn)象的出現(xiàn)，畢竟其最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)就是“效益”。從技術(shù)改進(jìn)角度來看，可以考慮采用“微電網(wǎng)”解決方案，以此降低無風(fēng)條件下的用電需求，也可采取“熱儲能”等措施來降低風(fēng)電場的用能成本。

智慧風(fēng)電場能效潛力有待挖掘

目前，智慧風(fēng)電場關(guān)注點主要是在運維的智能化、管理的數(shù)字化和信息化等方面，風(fēng)電場的“智慧”并沒有在節(jié)能增效方面起到明顯作用。下面將淺析智慧風(fēng)電場能效管理的可行方向，并對智慧風(fēng)電場的能效管理發(fā)展前景進(jìn)行一定的展望。

一、已有的狀態(tài)數(shù)據(jù)應(yīng)得到深度分析.能效潛力要有效釋放

隨著智慧風(fēng)電場的逐步發(fā)展，風(fēng)電場場內(nèi)可利用的數(shù)據(jù)資源變得非常豐富。如何有效借助風(fēng)電場的“智慧”功能，即：通過大數(shù)據(jù)思維和相關(guān)技術(shù)，充分分析被采集的海量數(shù)據(jù)，通過智能控制、智能辨識、設(shè)備健康在線監(jiān)測與智慧管理等技術(shù)手段，發(fā)現(xiàn)所存在的能效問題，使設(shè)備工作在最佳能效狀態(tài)，實現(xiàn)降本增效，值得我們深入研究。實際上，節(jié)能降耗符合時代主旋律，符合我國政府倡導(dǎo)的生態(tài)文明建設(shè)思想，不僅要鼓勵，而且要主動采取措施，讓風(fēng)電場的“智慧”功能在能效管理和節(jié)能增效方面充分發(fā)揮作用。

二、先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用理應(yīng)得到節(jié)能效果

目前，先進(jìn)的感知技術(shù)、信號處理技術(shù)和控制技術(shù)在一定程度上已經(jīng)應(yīng)用到風(fēng)電場內(nèi)各種設(shè)備的控制和風(fēng)電場的整體運維當(dāng)中，設(shè)備自身狀態(tài)信息的準(zhǔn)確獲取變得更加方便，各個子系統(tǒng)之間的信息與信號交互更快、更準(zhǔn)確，控制環(huán)節(jié)更加智能，甚至具備一定的自我學(xué)習(xí)和自我修補功能，完全可以兼顧節(jié)能效益。

結(jié)論

對于智慧風(fēng)電場而言，還有很多需要解決的問題，例如，如何實現(xiàn)“無人值班或少人值守”，如何讓集控系統(tǒng)真正實現(xiàn)“區(qū)域統(tǒng)籌運維”功能，如何構(gòu)造最佳的運維模型等都是近期應(yīng)該設(shè)定的目標(biāo)。而從長期目標(biāo)來看，尤其是在海上風(fēng)電、分散式風(fēng)電等新的應(yīng)用場景條件下，如何實現(xiàn)借助無人機(jī)、機(jī)器人、vR等技術(shù)手段的運維方式，降低運維人員安全事故發(fā)生率，提高運維效率：如何通過大數(shù)據(jù)思維增強(qiáng)風(fēng)電場運營的“智慧性”，并強(qiáng)化設(shè)備壽命管理等都是需要攻克的重要課題。在工程案例中，已經(jīng)投運的在線狀態(tài)監(jiān)測與分析系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)監(jiān)測系統(tǒng)、風(fēng)電機(jī)組螺旋載荷在線監(jiān)測報警系統(tǒng)、槳葉狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)絕緣電阻自動監(jiān)測系統(tǒng)、雷電監(jiān)測系統(tǒng)、變壓器運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)等都需要不斷優(yōu)化，不斷提高精準(zhǔn)性。

在解決這些問題，關(guān)注運維智能化和技術(shù)創(chuàng)新的同時，應(yīng)該認(rèn)識到，深化風(fēng)電場能效問題有效管理的研究，是風(fēng)電場實現(xiàn)綜合效益最大化的重要環(huán)節(jié)，行業(yè)有必要為此付出很多的努力。