風力發電機組調試新技術應用研究

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，我國可再生能源產業發生了很大變化，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電逐步成為我國能源結構轉型的重要力量。截至2020年12月底，全國累計風電裝機2.4 億kW，光伏發電2.25 億kW，生物質發電2617萬kW，全年非水可再生能源發電量占全社會用電量比重超到9%以上，實現了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，風力發電技術將會在可再生能源產業中占據重要一席。

1 風力發電技術的優點

1.1 風力發電是一種清潔能源

風能在轉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，沒有給環境造成任何污染。風電沒有火電、核電等對環境造成的污染問題。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

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

1.3 發電成本低

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

1.4 風電場建設周期短

一般情況下，單臺風力發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、核電的建設一般需要2～5a。

1.5 節約土地

風電場占地面積少。風力發電機組、變電站僅占風電場場區約1%的土地，其余99%的土地可繼續供農、林、牧使用，可建設風光、農牧互補項目。

風力發電技術具有的經濟效益和社會效益不言而喻，它的發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、控制技術、發電機技術、新材料和新工藝的創新與發展，風力發電機組單機容量不斷增大，從最初的十千瓦級已經發展到現在的兆瓦級，其中海上風力發電機組單機容量達到了十兆瓦以上。

2 風力發電的技術原理

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

圖1 水平軸風力發電機組

2.1 葉輪

葉輪裝置是將風能轉化為機械能的裝置，自然風力帶動類似螺旋槳形狀的槳葉進行圓周運動，槳葉轉動產生機械能。風速和風向是實時變化的，為實現對風能的充分利用，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，根據風向、風速的變動對應調整葉輪水平方向和葉片角度，使葉輪隨時調整對準風向運轉，確保葉輪吸收最多的風能。

2.2 發電機

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

2.3 機艙

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

2.4 塔架

塔架是支撐葉輪、機艙、發電機的構架，塔架高度需要根據場址區風速大小、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 傳統風力發電機組調試技術

風力發電機組并網投運前的一項關鍵工作就是調試，主要目的是將風力發電機組的各個系統有機的結合在一起，協同運轉，保證機組安全、長期、穩定高效地運行。調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。一般分為靜態調試和動態調試。

3.1 靜態調試

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

3.2 動態調試

動態調試指的是在風力發電機組帶電的情況下進行調試，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，再經連接集電線路的箱式變電站降壓后送至風力發電機組。風力發電機組內部的控制系統和變頻系統正常帶電后，按照調試流程開展變頻系統、通信調試、安全性試驗等，全部工作結束后，風力發電機組自動偏航對風、變槳，最后葉輪開始旋轉并網發電。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建設完成并順利受電。

4 風力發電機組調試新技術

4.1 新技術應用的背景

單個風電陸上建設規模50～100 MW 風電場項目，安裝風力發電機組數量在20～50臺，調試工作量不大，可在配套升壓站建設完成受電后集中進行風力發電機組動態調試。但是建設規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，風力發電機組數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施建設進度相對較慢，風電場帶電時間無法掌控。采用傳統方式調試（圖2）不可控因素很多，將會損失大量時間，工期一旦延誤，上網電價無法保證。在此背景下，風力發電機組調試技術迫切需要創新。圖3為風力發電機組調試新技術。

圖2 傳統調試技術

圖3 調試新技術

4.2 新技術的應用

一般風電場配套的升壓站都會設計備用電源，施工期作為施工用電，建設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配電設施接引而來，電壓等級為10 kV 的架空線路。新技術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電機組配套箱式變電站高壓側電壓等級35 kV 一致，再通過導線接引至場區集電線路最終將電能送入風力發電機組。在實際應用中需要根據調試耗電量及10 kV 電源容量設計升壓變壓器的容量、開關容量、保護定值及導線線徑等技術參數，滿足調試過程的電力負荷需求，以及確保調試過程的人員和設備安全。

4.3 新技術產生的效益

大容量或者大基地風電項目建設過程將會面臨風力發電機組調試周期拉長的難題，主要原因在于并網風力發電機組數量多，并網工期緊，調試人員不足。在這種背景下，風力發電機組調試的新技術可被采用。風電場會建設數條集電線路，每條集電線路會接入多臺風力發電機組。其中一條集電線路及附屬的風力發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試工作。對比傳統調試技術，這種新技術最大程度提前了風力發電機組調試開始節點，縮短調試周期。后期升壓站正常受電后，根據風電場建設規模，全部風力發電機組可在1～3d 時間內并網發電，如果按照傳統調試方式進行，全部風力發電機組并網發電將會用1～2個月時間，甚至可能會更長。調試新技術的應用不僅可以保證節點工期避免電價降低，提前發電增收發電效益，而且不需要增加過多的調試人員，降低調試工作人員安全風險。雖然建設成本中增加了采購、安裝升壓變壓器及其附屬設施的費用，但是與整體效益相比，采用新技術產生的效益不言而喻。

5 結束語

2021年10月，我國提出將在沙漠、戈壁、荒漠地區加快規劃建設大型風電光伏基地項目。2022年，國家發展和改革委員會又在經濟和生態文明領域建設與改革情況發布會上提出要大力發展新能源發電，在沙漠、戈壁、荒漠地區規劃建設超過4億kW 大型風電光伏基地。可見在“十四五”期間，全國多個省份將會規劃建設大型風電基地項目，屆時單個風電核準項目的容量會越來越大，規劃風力發電機組數量也會越來越多，風力發電機組調試的新技術將會在大型風電基地項目中發揮重要作用。隨著科技技術的創新，風力發電機組調試技術未來也會得到進一步創新。