四川省山地風電場風電機組選型要點分析

鐘 滔， 任 臘 春

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

根據國家氣象局早期繪制的全國風能資源分布圖，四川屬于風能資源貧乏區域。隨著風力發電機組設計、制造及風電場開發技術的進步，風能資源開發區域和方式由三北(東北、華北、西北)地區集中式轉變成三北地區集中式和南方地區分散式相結合[1]，使得包括四川在內的、原本認為資源貧乏區域風能資源也在一定程度上具備開發價值。2011年5月，四川省首個風電示范項目——德昌一期示范工程實現并網發電，使得四川省成為第26個擁有風電場的省份。截至目前，四川省已建成5個風電場，總裝機規模達到21萬kW，正在開展前期工作的風電場規模達到200萬kW。筆者結合四川省已建成的風電場機組選型經驗，對四川省山地風電場機組選型要點進行了分析與總結，以期對后續設計提供參考借鑒。

2 四川省風能資源概況

四川省位于我國西南部，面積為48.5萬km2，地跨青藏高原、橫斷山脈、云貴高原、秦巴山地、四川盆地幾大地貌單元，是中國多山省份之一。地形以丘陵和高原山地為主，可分為四川盆地、四川盆地邊緣地區、西北高原、西南山地四部分，地勢總體上呈西北高、東南低，由西北向東南傾斜，相對高差顯著。四川省山地、高原和丘陵約占全省土地面積的97.46%。

四川省為全國風能資源貧乏的省份之一，但由于其地域遼闊，地形復雜，風能資源分布不均勻性明顯。盆地內風速甚小，西北部高原、北部、西南部山區部分地區以及東部小部分地區風速相對較大,目前經濟可開發的風能資源主要分布在北部山區和南部高原山區及高山峽谷區域，包括涼山州、攀枝花、廣元、巴中等地區，北部區域內海拔在900～2000 m，南部區域內海拔在1 500 m以上，80 m高度多年平均風速均在6 m/s以上(圖1)。從時間分布看，四川省大風速主要集中在冬、春季節，即每年11月到次年5月；風向穩定，北部區域主風向為N，南部區域主風向為SW。總體來講，四川省南部和北部山區部分區域(廣元、巴中)風能資源具備一定的開發價值。

圖1 四川省80 m高度年平均風速分布圖

3 山地風電場風能資源特性

四川省風能資源主要分布在南部和北部山區，風電場地形條件復雜，可供布機的區域相對較少，多數位于山脊、峽谷地區，屬于典型的高原山地及高原峽谷風電場；風速在離地一定高度(60 m)后增加量很小甚至出現變小的情況；風電場出現陣風性情況較多，導致50 a一遇最大風速偏大；地形復雜、地面附著物較多而導致湍流強度較大，部分區域可能超過最大設計值[2]；山脊局部坡度較大，導致入流角亦較大；由于地形條件復雜，測風塔的代表性相對較差，代表區域較小，使用測風塔數據推算出的各機位處的風能資源特征參數和實際的誤差較大，尤其是湍流強度及50 a一遇最大風速；地面附著物較多、地形起伏大而導致地表粗糙度較大，近地面處的風速風向受影響程度較大，并隨離地高度增加影響逐漸減弱[3～4]。這些特性決定了在進行機組選型和布置時必須對其予以重視，以保證風電機組穩定、可靠運行。

4 風電機組選型分析

四川省山地風電場風電機組的選型應著重考慮所選風電機組對風能資源、氣候特征、交通運輸、施工、地質等條件的適應性，從而選擇出合適的機組安全等級、型式、單機容量、風輪直徑及輪轂高度。

4.1 安全等級

在選擇機組安全等級時，常采用極端風速、參考風速、年平均風速、湍流強度等，根據《風力發電機組設計要求》(GB18451.1-2012)確定哪類機組適合擬建風電場[5]。對于山地風電場，一般陣風性強，50 a一遇最大風速相對較大，但換算到當地空氣密度下基本都小于37.5，如普格、會東、廣元等區域，這類區域適合選用IECⅢ及以上機型；風電場湍流強度較大，一般都超過0.14，有些甚至超過0.16，因此應選用安全等級為B級及以上機型。而對于高原峽谷風電場，風向穩定，風速較小，一般適合選用S型安全等級為B級及以上機型。其中50 a一遇的最大風速計算時應考慮各機位處的極端風速；湍流強度應以各機位輪轂高度處全風速時段計算結果綜合判定風電場湍流強度等級，而不能簡單地以某一個或幾個測風塔輪轂高度處15m/s風速時段計算結果判定。

4.2 型 式

由于風能具有隨機性、不穩定性等特征，因而變速恒頻風力發電系統更能合理利用風能[6]。目前，風力發電系統中主流機型有雙饋風電機組和直驅風電機組兩類。雙饋風電機組并網簡單、無沖擊電流、可實現功率因素的調節，輸出電能質量較好，有較高的性價比，目前市場占有率較高；直驅風電機組省去了齒輪箱，使得結構更簡單、運行維護費用降低，可靠性相對較高且機組損耗降低，同等條件下上網電量有所提高，目前市場占有率漸漸提高。目前，國內這兩類機型基本都具備低電壓穿越能力、有功、無功功率調節能力、對電網的適應性能力等，各種特性均滿足國家標準委批準發布的《風電場接入電力系統技術規定》，能實現批量生產并通過權威機構監測與認證，滿足國家對風電信息管理的要求。

根據四川省風電場及風能資源的特點，對于南部高原山區和北部部分山區可根據風電場具體情況選用雙饋或直驅風電機組；而對于高原峽谷地區，由于風況復雜，附近居民可能較多，選用低風速、低噪聲的直驅風電機組有利于后續風電場的運行管理。

此外，四川省山地風電場海拔多集中在2 500～3 700 m，這些區域具有空氣稀薄、高濕、低溫、低氣壓、雪災、凝凍、結冰、強雷暴、強紫外線等高原特性，因此必須選用高海拔機型。國內主流機組廠家都致力于高原機型的研發制造，其主要是在常規機組基礎上進行電氣設備降容、加強絕緣、改變控制策略、增加應對裝置(如加熱除濕設備)、改變設備材料、優化核心控制算法參數、增大風輪直徑以及對連接部件密封性等進行改進。目前高原型風電機組的研發已取得了一定成果，少數1.5 MW機型在四川省山地風電場投入運行，但因其運行時間較短，機組適應性有待進一步分析；在高原峽谷風電場機型相對較多且運行時間近三年，機組適應性較好。總體來看，適應四川省山地風電場的高原機型還需進一步研究開發。

4.3 單機容量

國內外風電場工程的經驗表明：在風電技術可行、價格合理的條件下，單機容量越大，越有利于充分利用土地和風電場的風能資源，整個項目的經濟性就越高。目前陸上風電場選用的風電機組單機容量一般為1.5～2.5 MW。單機容量小的風電機組運輸和安裝方便，但占用土地較多；而單機容量較大的風電機組占地少，風能利用充分，但其對運輸和安裝等的要求相對較高。

對于四川省山地風電場，場址海拔較高，且與現有等級公路高差較大，部分風電場高差達到了2 000m，需要修建較長的進場公路；山脊不連續、起伏較大，適合布置風電機組的位置相對較分散。為了減少風電場進場道路、場內道路和集電線路長度，增加風電場規模以提高風電場經濟性，在同等條件下選用單機容量大的風電機組較為合理。對于山脊比較陡峭的區域，需綜合考慮安裝平臺以及機組基礎與邊坡邊緣的安全距離確定單機容量，這類風電場選用的單機容量一般為1.5 MW，如芳地坪、拉馬和魯南風電場；而對于山脊相對平緩的山地風電場或高原峽谷風電場，規模相對較大的風電場可優先考慮選用單機容量為2 MW和2.5 MW的機組，如大面山、德昌風電場。

4.4 風輪直徑

對于同一單機容量風電機組，風輪直徑是衡量風力機捕獲風能大小的重要參數。風輪直徑越大，捕獲風能越大，低風速時更容易獲得更多的發電量。風輪直徑大的機組對于四川省北部的山地風電場及南部高原峽谷風電場有較好的適應性，使得原本不具備利用價值的風能資源逐漸得到了開發利用；而對于陣風性較強的風電場，選用風輪直徑較大的機組時應綜合考慮安全等級等因素。另外，風輪直徑的增加也需要考慮經濟性，風輪直徑越大，對應葉片長度增加，從而使得葉片設計制造、運輸、安裝等成本增加。目前，在四川省山地風電場實際運行的1.5 MW機組風輪直徑最大達到了93 m、2 MW機組達到了105 m、2.5 MW機組達到了110 m。為解決葉片山區運輸困難問題，機組制造廠家一般都采取專用運輸車輛及液壓舉升裝置運輸方案。該方案通過支架舉升加偏擺的方式，可有效地避開高山峭壁、房屋建筑群，可減少葉片掃尾面積，從而大大降低了道路改造工程量，縮短了道路改造工期，減少了其對植被的破壞，提高了葉片運輸效率。

4.5 輪轂高度

市場上同一機組一般有1～3種輪轂高度可供選擇。具體到每個風電場，應根據風電場的風況特征、塔筒成本、運輸和安裝費用、基礎造價等方面分析不同輪轂高度的適應性及技術經濟比較，選擇合適的輪轂高度。

四川省不同地區山地風電場風能資源特性差異明顯。高山峽谷風電場由于受地形的狹管效應，風速切變明顯，隨高度增加而增大，增加輪轂高度對于提高項目經濟性具有一定的效果，如德昌安寧河谷風電場第五期工程的輪轂高度在前四期的基礎上提高了10 m，達到了90 m，同等條件下發電量可提高6%左右，而投資僅增加2%。高原山地風電場尤其是位于山脊埡口或山勢陡峭處容易形成負切變，如普格海口風電場、昭覺特口甲谷風電場等在離地60 m高度即出現負切變，這類風電場輪轂高度就不宜過高，以防后續機組運行時造成風輪不平衡而影響機組安全。而對于植被茂密或地面附著物較多的風電場，輪轂高度應增加一個置換高度[7],以減少這些障礙物對風流的影響，從而確保資源評估的準確性。同時，當輪轂高度超過80 m時，為了運輸方便，一般建議廠家將分成四節，甚至五節。目前，四川省山地風電場已采用的輪轂高度一般為65 m、70 m、80 m、85 m和90 m等幾種。

5 結 語

筆者對四川省山地風電場風能資源特性進行了初步分析，在此基礎上，對山區風電場機組選型要點進行了分析總結，可為四川省山地風電場后續建設提供借鑒。不同風電場風能資源、建設條件等各異，在機組選型時筆者建議必須依據實際情況作具體分析，尤其關注機型對風電場的適應性。

參考文獻：

[1] 李俊峰，等. 2013年中國風電發展報告[A],2014年7月.

[2] 何 一.德昌安寧河谷風電場風能資源評估[J].水電站設計，2011，27(4)：83～86.

[3] 田迅,任臘春，等.風電機組選型分析[J].電網與清潔能源，2008，24(4)：26～29.

[4] 任臘春，李良縣.峽谷風電場工程設計關鍵技術分析[J].電力與能源，2013，34(3)：266～269.

[5] IEC61400-1:2005 Wind turbines Part 1:Design requirements[S]..

[6] Dubris M R ,Polinder H,Ferreira I A．Comparison of Generator Topologies for Direct -drive Wind Turbines [R]． Proc．Nordic Countries Power and Industrial Electronics Conference, 2000:22-26．

[7] 張懷全.風能資源與微觀選址：理論基礎與工程應用[M]. 北京:機械工業出版社，2013.

作者簡介:

鐘 滔(1973-)，男，四川成都人，副處長，高級工程師，學士，從事風電設備選型工作;

任臘春(1981-)，男，湖北浠水人，副主任，工程師，碩士，從事風能資源評估.

(責任編輯：李燕輝)