風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能管理措施研究

舒 彤 方海鵬

1.申能股份有限公司

2.上海申能新能源投資有限公司

0 引言

隨著能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的加速和提質(zhì)，節(jié)能工作的內(nèi)涵和外延也相應(yīng)發(fā)生變化。在火電等傳統(tǒng)能源生產(chǎn)領(lǐng)域，由于煤炭、天然氣、石油等一次能源稀缺性強(qiáng)，具有污染等負(fù)外部性，獲取和補(bǔ)償?shù)某杀靖撸?jié)能已成為火電企業(yè)常抓不懈的重要日常工作。風(fēng)、光等新能源，由于具有清潔、低碳、可再生的特征，其開(kāi)發(fā)利用已是本質(zhì)節(jié)能，因此可再生能源的節(jié)能工作往往不被重視。

風(fēng)力資源是可再生能源領(lǐng)域中最具商業(yè)化規(guī)模開(kāi)發(fā)的能源，是我國(guó)鼓勵(lì)和支持開(kāi)發(fā)的清潔能源，也是推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對(duì)氣候變化的重要途徑。經(jīng)過(guò)多年培育引導(dǎo)，我國(guó)風(fēng)電已進(jìn)入階躍式發(fā)展階段。一方面，隨著大規(guī)模開(kāi)發(fā)，曾經(jīng)看似無(wú)時(shí)不有、無(wú)所不在的風(fēng)資源正在變得稀缺；另一方面，補(bǔ)貼退坡、“風(fēng)、火同價(jià)”、“平價(jià)上網(wǎng)”、“競(jìng)爭(zhēng)性配置”等政策導(dǎo)向也給風(fēng)電開(kāi)發(fā)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。在新形勢(shì)下，風(fēng)電節(jié)能工作的必要性也日益顯現(xiàn)。

從廣義上說(shuō)，風(fēng)電場(chǎng)的節(jié)能管理工作貫穿建設(shè)運(yùn)行的全過(guò)程。例如通過(guò)對(duì)微觀(guān)選址、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選型的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化，讓有限的風(fēng)能場(chǎng)址發(fā)揮更大的效能，屬于開(kāi)發(fā)階段的“開(kāi)源”式節(jié)能工作。狹義的風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能工作，主要在運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)，屬于“節(jié)流”式節(jié)能工作，原理上與火電節(jié)能工作有相似之處，也是通過(guò)消耗較少（同等）能量得出同等（較多）功效，合理降低度電成本，依靠降本增效提高風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)收益和競(jìng)爭(zhēng)力。

1 風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能管理要點(diǎn)

1.1 風(fēng)電場(chǎng)能源消耗

風(fēng)電場(chǎng)的主要能源消耗是風(fēng)能、電能、汽(柴)油。其中，風(fēng)能是一種可再生能源，通常并不把風(fēng)能的消耗統(tǒng)計(jì)在內(nèi)，通過(guò)技術(shù)更新等手段提高風(fēng)能利用效率，更多視作為一種技術(shù)增產(chǎn)。如果忽略檢修車(chē)輛工作消耗的汽(柴)油，風(fēng)電場(chǎng)綜合能耗主要關(guān)注電力消耗，即維持風(fēng)電場(chǎng)正常運(yùn)行的生產(chǎn)用電、運(yùn)維人員生活用電的廠(chǎng)用電。風(fēng)電場(chǎng)一般綜合廠(chǎng)用電率為3%～5%。

1.2 風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能路徑

風(fēng)電場(chǎng)的電能由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)，一般經(jīng)由690V低壓電纜、箱式變壓器、集電線(xiàn)路，經(jīng)主變壓器(及無(wú)功補(bǔ)償裝置)接入電網(wǎng)。風(fēng)電場(chǎng)用電和有功損耗主要有變壓器、輸電線(xiàn)路、風(fēng)機(jī)機(jī)組和站內(nèi)用電。

1.2.1 變壓器節(jié)能

變壓器運(yùn)行中的功率損耗可分為兩部分：一部分為空載損耗即鐵損，另一部分為負(fù)載損耗，簡(jiǎn)稱(chēng)銅損。

1）設(shè)計(jì)階段節(jié)能

（1）合理選擇變壓器容量。不宜選過(guò)大容量的變壓器，因?yàn)椤按篑R拉小車(chē)”現(xiàn)象將引起空載損耗增加；也不宜選容量過(guò)小的變壓器，當(dāng)變壓器負(fù)載過(guò)大，將使變壓器負(fù)載損耗增大。通常，電力變壓器在50%～70%額定負(fù)載區(qū)間運(yùn)行時(shí)其效率最高。

（2）選用先進(jìn)材料的變壓器。空載損耗與鋼片厚度息息相關(guān)，其厚度越小損耗越小，但鋼片厚度小到一定程度時(shí)空載損耗反而增加。因此，在設(shè)備選型階段，材質(zhì)上優(yōu)先考慮采用優(yōu)質(zhì)硅鋼片、非晶合金。負(fù)載損耗與繞組電阻有關(guān)，材質(zhì)上應(yīng)優(yōu)先選擇電阻較低的材料。

（3）選用節(jié)能型變壓器。S11節(jié)能變壓器由于其卷鐵芯改變了傳統(tǒng)的疊片式鐵芯結(jié)構(gòu)。鐵芯無(wú)接縫，減少了鐵芯距離，大幅減少了磁阻，S11變壓器與S9變壓器相比,空載損耗平均降低約30%，見(jiàn)表1。

S11-2000型變壓器空載損耗為1 950W，而S9-2000型變壓器空載損耗為2 900W。以風(fēng)場(chǎng)配置30臺(tái)箱式變壓器為例，采用S11型的風(fēng)場(chǎng)每年僅空載損耗節(jié)約電量可達(dá)25萬(wàn)k Wh，每年節(jié)省近15萬(wàn)元。按箱式變壓器20年的使用壽命計(jì)算，S11型單臺(tái)變壓器在全壽命周期內(nèi)節(jié)約的電費(fèi)約為10萬(wàn)元，而且S11型與S9型變壓器差價(jià)通常在5萬(wàn)以?xún)?nèi)，經(jīng)濟(jì)性突出。

表1 S9型/S11型變壓器參數(shù)

（4）提高功率因素，選用合適的無(wú)功補(bǔ)償裝置。變壓器負(fù)載損耗的大小取決于變壓器負(fù)載率和功率因數(shù)。不同的功率因數(shù)引起的變壓器的有功和無(wú)功消耗也不相同，即隨著功率因數(shù)的提高，變壓器的有功和無(wú)功消耗均會(huì)下降。因此，合理地配置無(wú)功補(bǔ)償裝置，改變無(wú)功潮流分布，可提高功率因數(shù)，減少通過(guò)變壓器傳輸?shù)臒o(wú)功功率，減少變壓器損耗。目前的無(wú)功補(bǔ)償裝置，通常是按主變?nèi)萘康?0%進(jìn)行配置，此類(lèi)配置存在“大馬拉小車(chē)”造成浪費(fèi)，或者“力不從心”降低了功率因素，造成損耗增加。

2）運(yùn)行階段節(jié)能

變壓器在運(yùn)行時(shí)，三相不平衡越大損耗也越大，電壓負(fù)載損耗也會(huì)隨著變壓器電壓負(fù)載的變化而產(chǎn)生變化，導(dǎo)致變壓器的有功損耗增加。目前，風(fēng)電機(jī)組業(yè)主加裝了額外的設(shè)備，如監(jiān)視系統(tǒng)、振動(dòng)裝置、油品精濾等。此外，風(fēng)電機(jī)組內(nèi)部也存在很多220V單項(xiàng)電源用電設(shè)備，當(dāng)負(fù)載不均勻，會(huì)造成電流不平衡，使風(fēng)機(jī)的干式變壓器損耗增加。在日常運(yùn)行使用中，應(yīng)做好定期測(cè)量和檢查工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)三相不平衡情況，并做好相關(guān)調(diào)整。

變壓器負(fù)載損耗隨著電壓的變化而變化，電壓增加，負(fù)載損耗將減少。雖然空載損耗隨著電壓的增大而增大，但其增加幅度很小，通常將其視為固定損耗，不考慮其變化量。因此，在滿(mǎn)足電網(wǎng)電壓的前提下，可進(jìn)行優(yōu)化選擇變壓器檔位，盡可能維持高電壓，降低變壓器損耗，提高其運(yùn)行效率。

1.2.2 輸電線(xiàn)路

輸電線(xiàn)路主要是電力電纜。電力電纜的電能損耗在風(fēng)電場(chǎng)綜合電力損耗中占的比重較大，尤其是電力線(xiàn)路較長(zhǎng)的海上風(fēng)電，其輸電電路的電能損耗甚至占到綜合損耗的35%～45%。因此，在設(shè)計(jì)階段減少電纜長(zhǎng)度是重中之重，避免電纜路徑迂回，升壓（變電站）選址盡量靠近風(fēng)場(chǎng)中心位置，深埋的電纜可以考慮采用抬升套管，減少電纜長(zhǎng)度。

此外，對(duì)于電力電纜，應(yīng)優(yōu)先選用交聯(lián)聚乙烯絕緣（X L P E）電力電纜，該電纜與同截面的電纜交聯(lián)聚氯乙烯相比其絕緣效果更好，絕緣容許載流量大，損耗相對(duì)更小。

在運(yùn)行階段，電力電纜基本同變壓器一樣。隨著電壓的增大，線(xiàn)路損耗隨之降低。為此，在條件允許的前提下，盡可能維持高電壓，降低輸電線(xiàn)路損耗。

1.2.3 風(fēng)機(jī)自耗電

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中自耗電的增加主要是風(fēng)電機(jī)組內(nèi)的輔助設(shè)備用電。不同風(fēng)機(jī)機(jī)組每個(gè)設(shè)備的情況也不相同，一般輔助設(shè)備的總耗電量為機(jī)組功率的5%左右，耗電量也是較為可觀(guān)的。

其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中耗電量較大的設(shè)備是發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)、齒輪箱油泵系統(tǒng)。而其他各類(lèi)電機(jī)和電子器件在正常工作的條件下整體耗電量相對(duì)較小，見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下的耗電量

風(fēng)機(jī)增加的自耗電主要在機(jī)艙內(nèi)部設(shè)備的降溫，如能對(duì)機(jī)艙進(jìn)行改造，改善運(yùn)行工況，或利用塔筒的負(fù)壓效應(yīng)，將機(jī)艙的頭、尾、塔筒貫通，形成機(jī)艙內(nèi)的自然強(qiáng)排風(fēng)，將能有效地降低機(jī)艙內(nèi)的溫度，從而降低風(fēng)機(jī)自耗電。以上設(shè)想尚需結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)和齒輪箱冷卻系統(tǒng)也存在參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致電量浪費(fèi)的情況。有些型號(hào)的風(fēng)機(jī)，在風(fēng)機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，已啟動(dòng)了發(fā)電機(jī)和齒輪箱的冷卻系統(tǒng)，而此時(shí)設(shè)備溫度和環(huán)境溫度并不高，可滿(mǎn)足設(shè)備正常運(yùn)行。由設(shè)備制造方將冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)參數(shù)調(diào)整至合理狀態(tài)，也將有效地降低冷卻系統(tǒng)耗電。

齒輪箱油泵節(jié)能也存在的空間。齒輪箱油泵經(jīng)常會(huì)多注齒輪油，由此，一方面導(dǎo)致油脂溢出，臟污平臺(tái)。同時(shí)，頻繁的啟動(dòng)也會(huì)造成電能浪費(fèi)。在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)根據(jù)不同季節(jié)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行特性，靈活調(diào)整油泵參數(shù)，以減少潤(rùn)滑油脂的消耗和電量損耗。

風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)的理論切入風(fēng)速和實(shí)際并網(wǎng)風(fēng)速存在偏差，較多時(shí)段的理論切入風(fēng)速并不能達(dá)到并網(wǎng)條件，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后不能并網(wǎng)發(fā)電。此時(shí)，還需從電網(wǎng)吸收電能，造成設(shè)備磨損。形成電能損耗。由于空氣密度會(huì)影響風(fēng)能，而風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的切入風(fēng)速值是生產(chǎn)廠(chǎng)商根據(jù)固定的空氣密度設(shè)計(jì)的。但是在夏天、冬天和潮濕氣候時(shí)的空氣密度不盡相同。因此，可以考慮根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，按季節(jié)調(diào)整風(fēng)機(jī)的切入風(fēng)速，增產(chǎn)減耗。例如冬季潮濕季節(jié)可以調(diào)低切入風(fēng)速，而夏季、干燥季節(jié)調(diào)高切入風(fēng)速。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，調(diào)節(jié)幅度可以達(dá)±0.2m/s，經(jīng)濟(jì)效果較好。

1.2.4 風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償運(yùn)行方式節(jié)能

在風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行期間，根據(jù)電網(wǎng)要求，需對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整場(chǎng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。目前電網(wǎng)要求配備20%容量的SVG設(shè)備，但SVG投運(yùn)后損耗較大，為合理節(jié)能，可通過(guò)風(fēng)機(jī)功率因素調(diào)節(jié)進(jìn)行部分無(wú)功補(bǔ)償，從而減少SVG的損耗，具體案例如下：

以某5萬(wàn)k W風(fēng)電按滿(mǎn)負(fù)荷情況進(jìn)行計(jì)算，110k V主變無(wú)功損耗為5 400k Var，24臺(tái)箱變?yōu)? 530 k Var，集電線(xiàn)路充電功率為-570 k Var，集電線(xiàn)路無(wú)功損耗為4 100 k Var，總無(wú)功損耗為11 460 k Var。

方案一：通過(guò)風(fēng)機(jī)功率因素控制（0.99），機(jī)組可發(fā)無(wú)功-6 816 k Var，SVG投切補(bǔ)償-4 644 k Var，SVG損耗為75k W。

方案二：不通過(guò)風(fēng)機(jī)功率因素控制，機(jī)組不發(fā)無(wú)功，SVG投切補(bǔ)償11 460k Var，SVG損耗為354k W。

方案一較方案二節(jié)省耗功率279k W,按全年風(fēng)電場(chǎng)等效小時(shí)數(shù)2 200小時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)省電量61.38萬(wàn)k Wh。

由上述案例可見(jiàn)，風(fēng)電場(chǎng)通過(guò)風(fēng)機(jī)功率因素調(diào)解，從而減少SVG設(shè)備投切補(bǔ)償容量，可減少SVG設(shè)備損耗，達(dá)到了節(jié)能效果。

1.2.5 站內(nèi)節(jié)能

站內(nèi)節(jié)能，主要是設(shè)計(jì)階段的建筑節(jié)能和運(yùn)行期間的節(jié)能管理。建筑物節(jié)能主要是空調(diào)和采暖的保溫?？照{(diào)、采暖能耗在建筑物能耗中約占60%～70%。因此，空調(diào)及采暖能耗的管理，將是建筑物節(jié)能的最大收益。因此，在建筑物設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)采用節(jié)能技術(shù)和節(jié)能材料。建筑物底層下鋪設(shè)防潮和保溫層，外墻采用保溫材料，屋面鋪設(shè)巖棉等做屋面保溫。門(mén)窗采用節(jié)能門(mén)窗，例如：窗框采用斷橋鋁、玻璃采用雙層真空玻璃、大門(mén)夾層采用保溫材料。砌塊使用空心加氣磚等。在設(shè)計(jì)時(shí)，合理布置水管、電力管道，提高采暖、制冷、照明、通風(fēng)、給排水和管道系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

運(yùn)行期間的節(jié)能管理，一是加強(qiáng)照明、空調(diào)、冷熱水器的管理使用。二是考慮使用節(jié)能設(shè)備，如節(jié)能空調(diào)、空氣能熱水器，在部分上網(wǎng)電價(jià)較高的風(fēng)電場(chǎng)，也可以架設(shè)一些分布式太陽(yáng)能光伏板，自發(fā)自用。

2 總結(jié)和展望

以上主要從微觀(guān)層面對(duì)現(xiàn)有風(fēng)電場(chǎng)設(shè)備的節(jié)能空間進(jìn)行梳理，相對(duì)于規(guī)劃、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵性?xún)?yōu)化，以及運(yùn)用靈活多樣的調(diào)度、交易手段減少棄風(fēng)、擴(kuò)大產(chǎn)能等措施所帶來(lái)的廣義節(jié)能效果，幾乎不可同日而語(yǔ)，但任何產(chǎn)業(yè)都應(yīng)信奉不以善小而不為理念，主動(dòng)積極地降本增效，只有這樣，才會(huì)在日益嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)中取得先機(jī)。

隨著風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展方式從數(shù)量到質(zhì)量的轉(zhuǎn)變，建議進(jìn)一步重視風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究，重點(diǎn)關(guān)注新興的“智慧風(fēng)場(chǎng)”、“智慧風(fēng)機(jī)”。研發(fā)廣域式新能源感知、全景式新能源功率預(yù)測(cè)、智能化新能源控制技術(shù)等，借助互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，包括分析不同季節(jié)、氣候過(guò)程、局部氣溫、空氣密度、風(fēng)向、局部地理特征、場(chǎng)站內(nèi)單機(jī)之間尾流相互干涉與發(fā)電功率之間的深層次關(guān)聯(lián)，建立和優(yōu)化風(fēng)資源預(yù)測(cè)模型和評(píng)價(jià)體系；打造新型風(fēng)機(jī)控制模式，柔性制定不同風(fēng)電場(chǎng)的管理策略和參數(shù)。研究風(fēng)機(jī)的最優(yōu)轉(zhuǎn)矩控制和葉尖速比，實(shí)時(shí)分析不同風(fēng)向?qū)Πl(fā)電功率的影響；優(yōu)化開(kāi)機(jī)，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)功率最大化，根據(jù)風(fēng)向變化提前調(diào)整偏航，做到新能源運(yùn)行狀態(tài)的自適應(yīng)主動(dòng)調(diào)整，減少機(jī)械載荷、提高抗疲勞強(qiáng)度、提升發(fā)電量。

改進(jìn)風(fēng)電場(chǎng)節(jié)能，除上述具體路徑和措施，還需從管理方法上加以推進(jìn)，采用整合創(chuàng)新成果、健全制度機(jī)制、完善提升標(biāo)準(zhǔn)、開(kāi)展試點(diǎn)示范等手段，使之真正成為提升風(fēng)電場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的重要環(huán)節(jié)。