风力发电及其在水文站的应用

2010-07-16裘劲松

水利信息化 2010年1期

裘劲松

（水利部南京水利水文自动化研究所, 江苏南京 210012）

0 前言

风力发电是以风能为动力的发电设备，称之为风力发电机。装有 2 台或多台并网型风力发电机组的发电站称为风力发电场，又简称为风电场。

我国首个现代化风电场于 1989 年建成，至今已有 20 多年了，尤其是近几年，政府加大了对风电事业的支持力度，风电场更是不断涌现，特别是在偏远无电地区独立运行或与光伏电池或与柴油机并联运行的10 kW 级小型机组运用更为广泛，在解决偏远地区用电方面发挥了重要作用。而作为常规电网电源的大型风力发电机组，其单机容量不断扩大，技术日臻完善。这种新能源由于具有改善生态环境的突出作用，以及取之不尽、用之不竭的优势，正成为发展最快的清洁能源之一。

1 风力发电相关概念

1.1 风能资源

我国地处亚洲大陆东南部，濒临太平洋，位于东南季风带，海岸线长，而内陆又多山，极易改变气压的分布。所以东亚和南亚季风对我国影响很大，除此之外，在一些局部地区还会形成小气候，会产生海陆风、山谷风等，这些风由于受季节和日照影响较大，风速在典型情况下可达 4～7 m/s。

我国东南沿海及其岛屿，1 年中平均每天风速 ≥ 3 m/s 的时间大于等于 21 h；内蒙古和甘肃北部以北地区，1 年中风速 ≥ 3 m/s 的时间累计时数可达 7659 h，接近 320 d；黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海，1 年中风速 ≥ 3 m/s 的时间在 5000～7000 h 之间；在青藏高原北部，1 年中风速 ≥ 3 m/s 的时间达 6500 h，但由于受空气密度的影响，这里实际风能比沿海地区小得多，这些地区风能资源大，为风能可利用地区。云贵川、甘肃、陕西南部、河南、湖南西部及福建、广东、广西的山区，西藏雅鲁藏布江及新疆塔里木盆地地区风能资源小[1]，为风能不可利用地区。

1.2 风力等级

风力等级是风速的数值等级，是表示风强度的一种方法，风越强，数值越大。按风力的强度等级来估计风力的大小，国际上采用“蒲福风级”，目前从静风到飓风分为 17 级（详见蒲福风力等级表）。风力等级除查表外，还可以通过风速与风级之间的关系来计算风速，计算关系式如下：

式中：N 为风的级数；νN为 N 级风的平均风速。

2 风能资源指标

风能资源在统计计算时，主要考虑风况和风功率密度。一般在选择风电场时，应当采用当地气象台、站所提供的统计数据，并且对初选的风电场选址区根据地形采用高精度的测风系统进行不少于 1 年的观测，在对所测数据统计计算时，主要考虑风况和风功率密度。其中风况包含：年平均风速、风速年变化、风速日变化、风速随高度变化、风向频率玫瑰图、湍流强度等 6 项指标。

年平均风速是最直观简单表示风能大小的指标之一；风速年变化可以看出 1 年中各月风速的大小，在我国一般是春季风速大，夏秋季风速小，这有利于风电和水电的互补；风速日变化有陆风和海风 2 种模式，陆地上一般白天午后风速大，夜间风速小，海面上一般白天风速小，夜间风速大；风速随高度变化是指在近地层中，风速和地面的粗糙度有关，一般粗糙的地面层中的风速比光滑地面的风速小；风向频率玫瑰图可以确定主导风向，对风电场机组位置排列起到关键作用；湍流强度主要指风速、风向及其垂直风量的迅速扰动或不规律性，湍流很大程度上取决于环境的粗糙度[1]；

风能是空气运动的动能，或每秒钟在面积 S 上从以速度ν自由流动的气流中所获得的能量，即获得的功率 W，计算方法如下：

式中：ρ为空气密度；W为风能；ν为风速。

对于某一个地点来说，空气密度为常数，当面积一定时，则风速是决定风能多少的关键因素。

风功率密度的计算，需要掌握所计算时间区间下的空气密度和风速，在近底层的风能计算中风速具有决定性的意义，但另一方面，由于我国地形复杂，空气密度的影响也必须加以考虑，特别是在高海拔地区，影响更突出。

在国际“风电场—风能资源评估方法”中，将蕴含着风速、风速频率分布和空气密度的影响定为衡量风电场风能资源的综合指标，风功率密度等级也给出 7 个级别，在 10、30、50 m 等 3 个高度条件下，7 个级别的风功率密度和年平均风速参考值的关系如表1 所示。

表1 风功率密度和年平均风速参考值的关系

从表1 可以看出，风功率密度大于 150 W/m2、年平均风速大于 5.6 m/s 的区域被认定为风能资源可以利用区；在 10 m 高度年平均风速大于 6.0 m/s，风功率密度为 200～250 W/m2的区域被认定为较好风电场；在 7.0 m/s时风功率密度为 300～400 W/m2为很好风电场[1]。

我国以东南沿海及其岛屿为我国最大风能资源区，内蒙古和甘肃北部以北广大地带为次大区，黑龙江和吉林东部及辽东半岛沿海风能也较大，青藏高原北部风功率密度在 150～200（W/m2）之间，但由于其海拔高，空气密度小，所以风功率密度相对较小，其余地区风能为季节利用区或不可利用区。

3 风电场建设

3.1 风电场的形式

风电场有离网式和并网式，自发自用的风电场称为离网式；而由风力发电设备产生的电能通过电缆经箱式变电站将其电压由 0.4 或 0.69 kV 升至 10 kV 后，再经电缆输送至风电场的变电所，在变电所将电压升高至 35 或 110 kV 后，经高压电网架空线路输入公共电网，这种形式称之为并网式。

3.2 风电场位置的确定

风电场的选择要从宏观和微观 2 个方面进行，宏观选址就是从一个大的区域进行选择，可从以下几个方面选择：（1）风能质量好（包含，年平均风速较高；风功率密度大；风频分布好；可利用小时数高）；（2）风向基本稳定；（3）风速变化小；（4）风力发电机组高度范围内风垂直切变要小；（5）湍流强度小；（6）尽量避开灾害性天气频繁出现地区；（7）交通方便；（8）对环境不利影响要小；（10）地形情况；（11）地质情况；（12）地理位置。微观选址就是在宏观选址后确定的小区域范围内如何布置风力发电机组，使整个风电场具有较好的经济效益。平坦地形风速不易发生突变，风向也较为稳定；山区地形的山丘、山脊、山谷、隘口等风速风向有时会发生突变，选择风电场时尽量避开。

3.3 风力发电机组的排列方式

当风电场的位置确定后，就需考虑风力发电机组的排列方式了，排列主要根据当地的风向、机组的数量和场地综合考虑，排列既不能过密也不能过疏，如果排列过密，风力发电机组间的相互影响将会大幅度提高，年发电量将减少，并且产生的强紊流甚至有“卡门”涡街效应，将使机组恶化受力状态造成风力发电机组振动，直至损坏；反之，如果排列过疏，年发电量增加很少，也增加了前期投资费用。

根据国外的试验经验，风力发电机组间距为其风轮直径的 10 倍时，风力发电机组效率将减少20～30 %；20 倍距离时无任何影响。在考虑风力发电机组的风能最大捕获率和场地、道路等前期投资的情况下，可适当调整各风力发电机组间间距和排列。在平坦地形和当地盛行主风向为 1 个方向或 2 个方向且相互为反方向时，风力发电机组可采用矩阵方式分布。机组排列方向与盛行风向垂直，前后 2 排错位，机后排机组始终位于前排 2 台机组之间。列距为 3～5 倍风轮直径，行距为 5～9 倍风轮直径。当场地存在多个盛行风向时，可依据场地和风力发电机组的数量，机组排布可为“田”形或“○”形，此时风力发电机组的间距应相对大一些，通常取 10～12 倍的风轮直径或更大。

4 风力发电在水文站的应用

我国有很多水文站地处偏远地区，站址所在地基础设施严重不配套，使得有些适合建永久站的地方由于基础设施跟不上，没有电力供应，而不得不放弃，要另选站址，或改为巡测方式。随着我国经济建设的不断发展，太阳能、风力发电等供电技术也日渐成熟，价格不断降低。这些发电技术占地不大，投资不多，技术成熟，维护简便，尤其适用于那些远离电网的地区。今后如果要在偏僻地区建设新的水文站，引电网电成本又高时，可以考虑采用这些离网式发电技术。在设计离网式发电站时，考虑到水文资料观测的连续性，以及驻站人员生活的需要，对电力供应的要求也相对较高，因此，可以采用风力发电、柴油发电互补，或太阳能发电、柴油发电互补方式。

水文站的驻站人员一般不多，且生产和生活用电一般都是错时。水文站的大型生产用电设备一般是缆道设备、烘箱、空调、照明等。在缆道设备中，用7 kW的电机就可以拖动 250 kg 的铅鱼（或泥沙采样器），富裕的电力完全可以满足其他设备的用电；生活用电有日常家用电器及空调等，因此，一般水文站的发电配置以 20～30 kW 的风力发电机或 20～30 kW 的太阳能发电设备为主，10 kW 柴油发电设备为辅的离网式电站。

内蒙古呼伦贝尔红花尔基水利枢纽工程地处红花尔基林业局，以供水、防洪为主，兼顾防凌、灌溉、发电于一体的大Ⅱ型水利枢纽工程，总库容为 3.22 亿 m3，通过 69 km 长的供水管道为伊敏电厂、鲁能鄂温克电厂提供工业用水，同时也为呼伦贝尔市提供生活备用水源。小孤山水文站是水库的主要入库流量控制站，地处小兴安岭的深处，属高纬度地区，冬季寒冷漫长，且没有市电。水文站设有木质管理站房 1 座，距河边 300 m 远，在河边建有缆道站房，内有全自动水文缆道、水位雨量遥测站、泥沙分析设备、超声波测深仪、手持式雷达测速仪和手持式测冰仪等设备，水文站常年有人驻守。由于没有电，需要在水文站院内建有发电室，用于保障水文站的生产和生活用电。

4.1 发电形式

根据小孤山水文站的实际情况，水文站的发电/供电采用以风力发电为主，柴油发电为辅的发电/供电方式。当有风电时，供电系统自动采用风电向外供电；当没有风电时，系统自动将风电切换到柴电，并向外供电。风电和柴电的切换时间小于 8 s，当风电恢复后，系统又自动切换到风电供电。整个系统由 1 台 20 kW 柴油发电机、3 台 10 kW 的风力发电机组、3 组 240 V/400 A•h 的蓄电池组、3 台风力发电机充电控制器、2 台逆变电源和 1 台双电源切换控制柜组成；供电部分采用 2 条回路，一条为 20 kW 回路，用于保证水文站的冬季供暖需要，另一条为 10 kW 回路，用于保证水文站的照明、生活和水文缆道设备用电。水文站发电/供电系统原理见图1。

图1 小孤山水文站发电/供电系统原理框图

4.1.1 风力发电

风力发电由 3 台风力发电机组、3 台充电控制器和 3 组 240 V/400 A•h 蓄电池构成，风力发电机组发出的电是 240 V、50 Hz 的交流电，通过充电控制器将交流电转换为 240 V 的直流电，向蓄电池组充电，充电上限为 290 V，当电池充满后，则通过充电控制器中的卸荷器将发电机中仍在发出的电消耗掉，同时将风力发电机的桨叶偏离，和当时的风向呈一定角度，使发电机组尽量少发电。充电控制器还具有检测风速、风向的功能，当风向变换时，可以使风机的机头旋转，让桨叶迎风，保证风机的发电效率最大，机头在充电控制器的控制下可做 360°旋转；当风速超过风力发电机的设计安全风速或蓄电池的电已充满时，充电控制器会使风机的机头偏转 45°或 180°（指和当时的风向），以保证风机的安全或蓄电池的安全。

4.1.2 电源变换

这里的电源变换是将 DC240 V 转换为 AC220 V、50 Hz，完成转换的是 2 台逆变电源，一台为 20 kW，另一台为 10 kW，均为三相四线制输出，原理框图如图2 所示。由于负载功率与放电时间有关，同时电池也会因低温、高温或损害而降低效率。当电池放电至接近电池的临界终止电压时，会发出报警声，同时指示灯会闪动，此时最好结束所有正在运行中的工作。当电池耗尽后（≤210 V），逆变电源停止供电。当电池电压恢复（≥220 V），逆变电源会自动恢复。

4.1.3 电源切换

风电/柴电自动切换控制柜有“手动”和“自动”2 种状态，当处于“自动”状态时，首先检测 2 台逆变电源有无输出，有输出则系统采用风电供电；若逆变电源无输出，则风电/柴电自动切换控制柜就会自动启动柴油发电机，这时的发电/供电系统只给 20 kW 回路供电，保证水文站的供暖需要。

图2 逆变电源原理框图

当发电/供电系统采用风电向外供电时会出现以下情况，在系统采用蓄电池的储能向外放电，这时室外也有风，则蓄电池处于边放电边充电的状态，就是我们日常所说的“浮充”状态，当外界风停止时，则蓄电池中的电终有放完之时，这时就依靠逆变电源中的电池电压检测功能，当电池组电压低于 210 V 时，逆变电源停止输出，处于待机状态，当电池组电压恢复到 220 V 时，逆变电源又恢复输出。