李申一郎，陳小松

（陜西黃河能源有限責(zé)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?！笆濉逼陂g，風(fēng)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(fēng)電裝機(jī)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(biāo)。預(yù)計“十四五”期間，風(fēng)電每年新增裝機(jī)不少于3000萬kW，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點

1.1 風(fēng)力發(fā)電是一種清潔能源

風(fēng)能在轉(zhuǎn)化成機(jī)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(fēng)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(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷發(fā)展和改進(jìn)，單機(jī)容量不斷增加，質(zhì)量也不斷提升，可利用率達(dá)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(jìn)步和設(shè)備生產(chǎn)廠家增多，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的價格不斷降低，風(fēng)力發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性日益增加。風(fēng)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(fēng)電的經(jīng)濟(jì)性也有一定優(yōu)勢。

1.4 風(fēng)電場建設(shè)周期短

一般情況下，單臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安裝時間僅需2～3d，而且機(jī)組與機(jī)組之間距離較遠(yuǎn)，可多臺同時安裝，互不干擾。建設(shè)一個中小型風(fēng)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(fēng)電場占地面積少。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變電站僅占風(fēng)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(fēng)光、農(nóng)牧互補項目。

風(fēng)力發(fā)電技術(shù)具有的經(jīng)濟(jì)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(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、發(fā)電機(jī)技術(shù)、新材料和新工藝的創(chuàng)新與發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量達(dá)到了十兆瓦以上。

2 風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)原理

風(fēng)力發(fā)電是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再由機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的一種新型發(fā)電技術(shù)。借助風(fēng)的力量進(jìn)行發(fā)電的設(shè)備稱為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)原理，具體是通過自然風(fēng)力帶動風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪旋轉(zhuǎn)，再通過傳動系統(tǒng)帶動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動切割磁感線，進(jìn)而產(chǎn)生電能。并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)艙（包括傳動變速系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)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(jìn)行分類，可分為水平軸、垂直軸；按照葉片的數(shù)量進(jìn)行分類，可分為雙葉片、多葉片；按照結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jì)性、實用性和美觀性進(jìn)行設(shè)計，目前市場中應(yīng)用最為廣泛的是三葉片、水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（圖1）。

圖1 水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

2.1 葉輪

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

2.2 發(fā)電機(jī)

發(fā)電機(jī)是將葉輪裝置轉(zhuǎn)化來的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。對于整個風(fēng)力發(fā)電機(jī)組而言，不僅包含發(fā)電機(jī)，還包括機(jī)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(fēng)力發(fā)電效率。其中，發(fā)電機(jī)將葉片受風(fēng)力作用產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能；機(jī)艙用于對準(zhǔn)風(fēng)向，保證發(fā)電機(jī)獲取最大風(fēng)力；葉片、輪轂組裝成葉輪共同旋轉(zhuǎn)用于吸收風(fēng)能。

2.3 機(jī)艙

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

2.4 塔架

塔架是支撐葉輪、機(jī)艙、發(fā)電機(jī)的構(gòu)架，塔架高度需要根據(jù)場址區(qū)風(fēng)速大小、單機(jī)容量以及葉片直徑大小進(jìn)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(jī)組功率要求。

3 傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試技術(shù)

風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組的各個系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合在一起，協(xié)同運轉(zhuǎn)，保證機(jī)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(jī)組的機(jī)械安裝、電氣安裝完成，以及整機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組不帶電的情況下進(jìn)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(jìn)行檢查、校準(zhǔn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶電的情況下進(jìn)行調(diào)試，帶電方式主要是通過風(fēng)電場所接入的升壓站將電能反送至風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組。風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組自動偏航對風(fēng)、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(fēng)電場所接入的新建或者擴(kuò)建的升壓站已經(jīng)建設(shè)完成并順利受電。

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試新技術(shù)

4.1 新技術(shù)應(yīng)用的背景

單個風(fēng)電陸上建設(shè)規(guī)模50～100 MW 風(fēng)電場項目，安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組動態(tài)調(diào)試。但是建設(shè)規(guī)模達(dá)到幾百兆瓦甚至上千兆瓦或者更大的大基地風(fēng)電項目，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量將會達(dá)到幾百至上千臺，且一般大基地風(fēng)電項目配套送出設(shè)施建設(shè)進(jìn)度相對較慢，風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試技術(shù)迫切需要創(chuàng)新。圖3為風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)用

一般風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組配套箱式變電站高壓側(cè)電壓等級35 kV 一致，再通過導(dǎo)線接引至場區(qū)集電線路最終將電能送入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在實際應(yīng)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(hù)定值及導(dǎo)線線徑等技術(shù)參數(shù)，滿足調(diào)試過程的電力負(fù)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(fēng)電項目建設(shè)過程將會面臨風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試周期拉長的難題，主要原因在于并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試的新技術(shù)可被采用。風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組。其中一條集電線路及附屬的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)電場建設(shè)規(guī)模，全部風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)行，全部風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(yīng)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(fēng)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(fēng)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(jì)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(fēng)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(fēng)電基地項目，屆時單個風(fēng)電核準(zhǔn)項目的容量會越來越大，規(guī)劃風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量也會越來越多，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試的新技術(shù)將會在大型風(fēng)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組調(diào)試技術(shù)未來也會得到進(jìn)一步創(chuàng)新。