风力发电机组选型实例分析

肖洪波

（沈阳鼓风机集团风电有限公司，沈阳 110869）

1 风力发电机组选型原则及步骤

风力发电机组按是否接入电网分为离网型和并网型两类。我们所讨论的风力发电机组均指并网型风力发电机组。目前并网型风力发电机组主要为水平轴、3 叶片、上风向、管式塔的统一模式。单机容量范围为750 kW 到2 000 kW。以失速和控制方式分类，可分为失速型定桨定速机型、双馈变速变桨机型、直驱永磁变速变桨机型。

1.1 各种机型的优缺点

1）失速型定桨定速机型。失速型定桨定速机型的叶片安装好以后不能转动，靠叶片的失速来调节功率的输出，额定风速较高，为非主流机型。其优点是机械结构简单，易于制造；控制原理简单，易于实施；故障率较低。缺点是额定风速高，风轮转换效率低；转速恒定，机电转换效率低；叶片复杂，重量大，制造较难，不宜作大风机。

2）双馈变速变桨机型。变桨距技术主要解决了风能转换效率低的问题。3 个叶片可以根据风速大小转动，使风对叶片的攻角始终保持最佳角度，提高了风轮转换效率。变桨距风力发电机组的优点是并网简单、无冲击电流、可实现功率因数的调节、输出电能质量较好、有较高的性价比，是目前风电行业的主流机型。缺点是变桨机构复杂，控制系统也较复杂，出现故障的可能性增加。

3）直驱永磁变速变桨机型。此机型是近几年发展起来的新技术，技术已经成熟，代表了未来风电技术的发展方向。直驱式风力发电机组是无齿轮箱的变桨距变速风力发电机组，采用永磁型发电机，定子与全功率变流器相接后与电网相连。优点是没有齿轮箱，减少了机械传动损耗；发电效率高；受风速限制小，在低风速段出力更大［1］。缺点是电控要求高、运输难度大、永磁体成本逐年上涨、变频器的功率器件和冷却功耗大。

1.2 影响风力发电机组选型的主要因素

1）风电场的风资源情况。根据轮毂高度的年平均风速、50 年一遇10 min 平均最大风速、湍流强度等将风力发电机组分为4 个等级，同时还有一个特殊设计的S 级。应根据场址的风况选择安全等级的级别［2］。

2）风电场气候条件。根据气温范围确定选用高温型、常温型或低温型机组。沿海地区，还应对防腐和绝缘性能提出特殊要求。

3）风电场的交通运输条件。考察风电场周边道路，判断是否可以将叶片、塔筒和机舱等安全运抵风场。

4）单机容量。从经济效益的角度，尽量选用单机容量较大的、采用变桨变速技术的机型，以减少风力发电机组的数量，增加发电量，从而减少土地面积的占用和吊装次数，提高经济效益［2］，同时避免将来因厂家停产而难以找到备品备件。大型机组一般采用了更高的输出电压。高电压输出能够降低线损和电缆造价从而降低建设和运行成本。

5）价格。主要包括风力发电机组的价格及其基础的费用。单机容量不同时还应比较配套设备和设施的费用。

6）售后服务。厂家有无专门的服务机构和服务设施，其他用户对厂家的评价。

1.3 机型比选的方法步骤

1）考察交通运输条件、安装条件和风资源情况，确定风电场规划容量和单机容量。

2）根据气候条件，确定几种备选机型。

3）用WAsP 和Windfarmer 软件将几种备选机型作初步布置，计算出其理论发电量。

4）对各备选机型及其配套费用作投资估算。其中风力发电机组的价格用最新的招标价格计算。

5）计算各备选机型的机组风轮单位面积性价比。

6）结合各备选机型的特征参数、结构特点、控制方式、成熟性、先进性、售后服务等进行综合的技术经济比较，确定机型。

2 实例分析

2.1 某风场地形地貌

风电场处地势平坦，地质结构稳定，属于抗震有利地段，场区内无矿产资源、文物遗存等。对风力发电机组的运输和安装没有特殊的限制，可以运输和安装大型风力发电机组。

2.2 某风场风资源情况

1）测风塔代表年70m、80m、90m、100m 高度的全年平均风速分别为6.10 m/s、6.22 m/s、6.32 m/s、6.42 m/s；相应的风功率密度分别为244.3 W/m2、258.8 W/m2、272.3 W/m2、285.0 W/m2。风电场风功率密度等级为2 级，具有开发价值。

2）测风塔70 m 高度风能密度分布最大方向为N，频率分别为12.7%，风能密度分布次大方向为NNW，频率为12.5%。总体而言，70 m 高度的主风能方向为NW～N扇区SSW～WSW 扇区，所占频率之和为65.9%。

3）根据气象站多年气象资料计算当地多年平均空气密度为1.234 kg/m3。由测风塔的实测气温、气压数据，计算年平均空气密度ρ为1.235 kg/m3。本项目选取由测风塔计算的空气密度1.235 kg/m3对风场风能资源进行评估。

4）测风塔80m 高度，3～25 m/s 全年有效风速小时数在7735h 左右，有效风速利用小时数较长。

5）通过相关方程推算风场10 m 高度50 年一遇最大风速23.97 m/s。通过风场的大风风切变指数0.094，推算到风电场65 m、70 m、80 m、85 m 高度处50 年一遇最大风速分别为33.73 m/s、33.97 m/s、34.40 m/s、34.59 m/s。换算到标准空气密度1.225 kg/m3下，分别为33.87 m/s、34.10 m/s、34.54 m/s、34.73 m/s。因此，根据国际电工协会IEC61400-1（2005）标准判定本风电场可选用Ⅲ类等级的风机。另外，风电场范围内风速为15 m/s 的湍流强度在50 m 高度以上都较小，低于0.12。因此，根据国际电工协会IEC61400-1（2005）标准判定本风电场可选用ⅢC 类等级的风机。

2.3 备选机型的选择

根据风场的风资源特征和地形特征，考虑机组安装和设备运输条件，初步选择WTG2000 和WTG1500 两种风力发电机组代表机型，用WAsP10 和Windfarmer4.1.1.0分别对所选机型进行优化布置。

WTG2000 和WTG1500 的主要技术参数见表1。

2.4 备选机型布置及发电量计算

利用WAsP 软件计算风频谱，分区域制作风资源栅格文件，将其导入Windfarmer 软件中，考虑尾流损失，进行风力发电机组位置优化和发电量计算［3］。再按35%折减系数计算折减后发电量（折减因素包括空气密度修正、叶片污染、风电机组可利用率、线损、功率曲线和气候影响停机等）。

表1 WTG2000 机型和WTG1500 机型技术参数对照表

比选风机年发电量计算结果和折减后的发电量见表2。

表2 WTG2000 机型和WTG1500 机型发电量计算结果对照表

2.5 备选机型经济性比较

依据上述计算结果，对两种比选机型进行经济性对比，对比结果见表3。

表3 WTG2000 机型和WTG1500 机型经济性比较

在技术水平相当的情况下，在分析现有风资源数据的基础上，从能力指标和经济指标两个方面对WTG2000和WTG1500 进行综合比较，由表3 的对比结果可见，WTG1500 机型略优于WTG2000 机型。

3 结论

风电场风力发电机组选型是风电场设计的重要工作之一。本文首先简要介绍了风力发电机组的分类和各类机型的优缺点，然后概括了风电场开发初期影响风力发电机组选型的主要因素和机型比选的方法步骤，最后以某风电场为实例，进行计算分析，选择两种比选机型，在技术、能量和经济性几个方面分别进行比选，最终得出本阶段的推荐机型。

［1］张文宝，王友.风电场不同机组技术经济性的分析［J］.能源技术经济，2011，23（3）：48.

［2］李建春.风力发电机组选型因素探析［J］.甘肃科技，2010，26（4）：110.

［3］冯宾春，杨锋.风电场机组布局优化［J］.水利水电技术，2009，40（9）：78.