李申一郎，陳小松

（陜西黃河能源有限責任公司，陜西西安 710000）

近年來，我國可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)生了很大變化，也取得了舉世矚目的成績。“十三五”期間，風電、光伏等可再生能源發(fā)電逐步成為我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要力量。截至2020年12月底，全國累計風電裝機2.4 億kW，光伏發(fā)電2.25 億kW，生物質(zhì)發(fā)電2617萬kW，全年非水可再生能源發(fā)電量占全社會用電量比重超到9%以上，實現(xiàn)了2020年我國非化石能源占一次能源消費總量15%的階段性目標。預計“十四五”期間，風電每年新增裝機不少于3000萬kW，風力發(fā)電技術(shù)將會在可再生能源產(chǎn)業(yè)中占據(jù)重要一席。

1 風力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點

1.1 風力發(fā)電是一種清潔能源

風能在轉(zhuǎn)化成機械能再到電能的一系列過程中，僅降低了空氣流動的速度，沒有給環(huán)境造成任何污染。風電沒有火電、核電等對環(huán)境造成的污染問題。目前，核電的放射性廢料處置仍是棘手問題。

1.2 安全可靠性高

風力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展和改進，單機容量不斷增加，質(zhì)量也不斷提升，可利用率達到98%以上，是一種安全可靠的新型能源發(fā)電技術(shù)。

1.3 發(fā)電成本低

由于技術(shù)進步和設(shè)備生產(chǎn)廠家增多，風力發(fā)電機組的價格不斷降低，風力發(fā)電的經(jīng)濟性日益增加。風力發(fā)電成本已低于水電和核電。若考慮用煤火電的環(huán)境污染、交通安全和煤價的不確定性等問題，風電的經(jīng)濟性也有一定優(yōu)勢。

1.4 風電場建設(shè)周期短

一般情況下，單臺風力發(fā)電機組的安裝時間僅需2～3d，而且機組與機組之間距離較遠，可多臺同時安裝，互不干擾。建設(shè)一個中小型風電場，從土建、安裝到投運，一般只需0.5～1a。而煤電、核電的建設(shè)一般需要2～5a。

1.5 節(jié)約土地

風電場占地面積少。風力發(fā)電機組、變電站僅占風電場場區(qū)約1%的土地，其余99%的土地可繼續(xù)供農(nóng)、林、牧使用，可建設(shè)風光、農(nóng)牧互補項目。

風力發(fā)電技術(shù)具有的經(jīng)濟效益和社會效益不言而喻，它的發(fā)展受到了世界各個國家的高度重視。隨著空氣動力學、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、發(fā)電機技術(shù)、新材料和新工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，風力發(fā)電機組單機容量不斷增大，從最初的十千瓦級已經(jīng)發(fā)展到現(xiàn)在的兆瓦級，其中海上風力發(fā)電機組單機容量達到了十兆瓦以上。

2 風力發(fā)電的技術(shù)原理

風力發(fā)電是將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再由機械能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)。借助風的力量進行發(fā)電的設(shè)備稱為風力發(fā)電機組，它的發(fā)電原理與水力發(fā)電、火力發(fā)電基本相同，遵循電磁感應原理，具體是通過自然風力帶動風力發(fā)電機組葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動切割磁感線，進而產(chǎn)生電能。并網(wǎng)型風力發(fā)電機組的整體結(jié)構(gòu)分為葉輪（包括葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)）、機艙（包括傳動變速系統(tǒng)、發(fā)電機系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等）、塔架和基礎(chǔ)等幾大部分。按照主軸的方向進行分類，可分為水平軸、垂直軸；按照葉片的數(shù)量進行分類，可分為雙葉片、多葉片；按照結(jié)構(gòu)進行分類，又可分為直驅(qū)式、半直驅(qū)式、雙饋式；綜合考慮經(jīng)濟性、實用性和美觀性進行設(shè)計，目前市場中應用最為廣泛的是三葉片、水平軸風力發(fā)電機組（圖1）。

圖1 水平軸風力發(fā)電機組

2.1 葉輪

葉輪裝置是將風能轉(zhuǎn)化為機械能的裝置，自然風力帶動類似螺旋槳形狀的槳葉進行圓周運動，槳葉轉(zhuǎn)動產(chǎn)生機械能。風速和風向是實時變化的，為實現(xiàn)對風能的充分利用，在葉輪后的機艙頂部安裝風向標和風速儀，用于實時觀測風向和風速變化，根據(jù)風向、風速的變動對應調(diào)整葉輪水平方向和葉片角度，使葉輪隨時調(diào)整對準風向運轉(zhuǎn)，確保葉輪吸收最多的風能。

2.2 發(fā)電機

發(fā)電機是將葉輪裝置轉(zhuǎn)化來的機械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于整個風力發(fā)電機組而言，不僅包含發(fā)電機，還包括機艙、輪轂、葉片等部件，只有在各個部件協(xié)調(diào)運作下，才能保證最大風力發(fā)電效率。其中，發(fā)電機將葉片受風力作用產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為電能；機艙用于對準風向，保證發(fā)電機獲取最大風力；葉片、輪轂組裝成葉輪共同旋轉(zhuǎn)用于吸收風能。

2.3 機艙

機艙是放置主軸、齒輪箱、發(fā)電機、控制柜、偏航系統(tǒng)等的裝置。其中永磁直驅(qū)型風力發(fā)電機組無齒輪箱，發(fā)電機設(shè)計在機艙外部，直接與葉輪相連接，跟隨葉輪進行同步轉(zhuǎn)動。機艙前部與葉輪或者發(fā)電機相連接，底部與塔筒相連接。

2.4 塔架

塔架是支撐葉輪、機艙、發(fā)電機的構(gòu)架，塔架高度需要根據(jù)場址區(qū)風速大小、單機容量以及葉片直徑大小進行確定，以保證塔架的高度位置能夠滿足葉輪裝置的安全運行和機組功率要求。

3 傳統(tǒng)風力發(fā)電機組調(diào)試技術(shù)

風力發(fā)電機組并網(wǎng)投運前的一項關(guān)鍵工作就是調(diào)試，主要目的是將風力發(fā)電機組的各個系統(tǒng)有機的結(jié)合在一起，協(xié)同運轉(zhuǎn)，保證機組安全、長期、穩(wěn)定高效地運行。調(diào)試工作開展的前提條件是機組的機械安裝、電氣安裝完成，以及整機安裝缺陷消除完成。一般分為靜態(tài)調(diào)試和動態(tài)調(diào)試。

3.1 靜態(tài)調(diào)試

靜態(tài)調(diào)試指的是在風力發(fā)電機組不帶電的情況下進行調(diào)試，主要目的是通過調(diào)試人員對變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)進行檢查、校準等一系列過程，保證動態(tài)調(diào)試的順利、快速開展。

3.2 動態(tài)調(diào)試

動態(tài)調(diào)試指的是在風力發(fā)電機組帶電的情況下進行調(diào)試，帶電方式主要是通過風電場所接入的升壓站將電能反送至風電場集電線路，再經(jīng)連接集電線路的箱式變電站降壓后送至風力發(fā)電機組。風力發(fā)電機組內(nèi)部的控制系統(tǒng)和變頻系統(tǒng)正常帶電后，按照調(diào)試流程開展變頻系統(tǒng)、通信調(diào)試、安全性試驗等，全部工作結(jié)束后，風力發(fā)電機組自動偏航對風、變槳，最后葉輪開始旋轉(zhuǎn)并網(wǎng)發(fā)電。這一系列工作的前提是風電場所接入的新建或者擴建的升壓站已經(jīng)建設(shè)完成并順利受電。

4 風力發(fā)電機組調(diào)試新技術(shù)

4.1 新技術(shù)應用的背景

單個風電陸上建設(shè)規(guī)模50～100 MW 風電場項目，安裝風力發(fā)電機組數(shù)量在20～50臺，調(diào)試工作量不大，可在配套升壓站建設(shè)完成受電后集中進行風力發(fā)電機組動態(tài)調(diào)試。但是建設(shè)規(guī)模達到幾百兆瓦甚至上千兆瓦或者更大的大基地風電項目，風力發(fā)電機組數(shù)量將會達到幾百至上千臺，且一般大基地風電項目配套送出設(shè)施建設(shè)進度相對較慢，風電場帶電時間無法掌控。采用傳統(tǒng)方式調(diào)試（圖2）不可控因素很多，將會損失大量時間，工期一旦延誤，上網(wǎng)電價無法保證。在此背景下，風力發(fā)電機組調(diào)試技術(shù)迫切需要創(chuàng)新。圖3為風力發(fā)電機組調(diào)試新技術(shù)。

圖2 傳統(tǒng)調(diào)試技術(shù)

圖3 調(diào)試新技術(shù)

4.2 新技術(shù)的應用

一般風電場配套的升壓站都會設(shè)計備用電源，施工期作為施工用電，建設(shè)完成后作為升壓站的備用電源。此電源是從附近的國家電網(wǎng)配電設(shè)施接引而來，電壓等級為10 kV 的架空線路。新技術(shù)方案主要是需要量身定制一臺升壓變壓器，將此10 kV 電源通過定制的變壓器升壓至與風力發(fā)電機組配套箱式變電站高壓側(cè)電壓等級35 kV 一致，再通過導線接引至場區(qū)集電線路最終將電能送入風力發(fā)電機組。在實際應用中需要根據(jù)調(diào)試耗電量及10 kV 電源容量設(shè)計升壓變壓器的容量、開關(guān)容量、保護定值及導線線徑等技術(shù)參數(shù)，滿足調(diào)試過程的電力負荷需求，以及確保調(diào)試過程的人員和設(shè)備安全。

4.3 新技術(shù)產(chǎn)生的效益

大容量或者大基地風電項目建設(shè)過程將會面臨風力發(fā)電機組調(diào)試周期拉長的難題，主要原因在于并網(wǎng)風力發(fā)電機組數(shù)量多，并網(wǎng)工期緊，調(diào)試人員不足。在這種背景下，風力發(fā)電機組調(diào)試的新技術(shù)可被采用。風電場會建設(shè)數(shù)條集電線路，每條集電線路會接入多臺風力發(fā)電機組。其中一條集電線路及附屬的風力發(fā)電機組安裝完成后即可通過定制的變壓器接入升壓站備用電源開展調(diào)試工作。對比傳統(tǒng)調(diào)試技術(shù)，這種新技術(shù)最大程度提前了風力發(fā)電機組調(diào)試開始節(jié)點，縮短調(diào)試周期。后期升壓站正常受電后，根據(jù)風電場建設(shè)規(guī)模，全部風力發(fā)電機組可在1～3d 時間內(nèi)并網(wǎng)發(fā)電，如果按照傳統(tǒng)調(diào)試方式進行，全部風力發(fā)電機組并網(wǎng)發(fā)電將會用1～2個月時間，甚至可能會更長。調(diào)試新技術(shù)的應用不僅可以保證節(jié)點工期避免電價降低，提前發(fā)電增收發(fā)電效益，而且不需要增加過多的調(diào)試人員，降低調(diào)試工作人員安全風險。雖然建設(shè)成本中增加了采購、安裝升壓變壓器及其附屬設(shè)施的費用，但是與整體效益相比，采用新技術(shù)產(chǎn)生的效益不言而喻。

5 結(jié)束語

2021年10月，我國提出將在沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)加快規(guī)劃建設(shè)大型風電光伏基地項目。2022年，國家發(fā)展和改革委員會又在經(jīng)濟和生態(tài)文明領(lǐng)域建設(shè)與改革情況發(fā)布會上提出要大力發(fā)展新能源發(fā)電，在沙漠、戈壁、荒漠地區(qū)規(guī)劃建設(shè)超過4億kW 大型風電光伏基地?？梢娫凇笆奈濉逼陂g，全國多個省份將會規(guī)劃建設(shè)大型風電基地項目，屆時單個風電核準項目的容量會越來越大，規(guī)劃風力發(fā)電機組數(shù)量也會越來越多，風力發(fā)電機組調(diào)試的新技術(shù)將會在大型風電基地項目中發(fā)揮重要作用。隨著科技技術(shù)的創(chuàng)新，風力發(fā)電機組調(diào)試技術(shù)未來也會得到進一步創(chuàng)新。