风电场节能管理措施研究

舒 彤 方海鹏

1.申能股份有限公司

2.上海申能新能源投资有限公司

0 引言

随着能源结构转型的加速和提质，节能工作的内涵和外延也相应发生变化。在火电等传统能源生产领域，由于煤炭、天然气、石油等一次能源稀缺性强，具有污染等负外部性，获取和补偿的成本高，节能已成为火电企业常抓不懈的重要日常工作。风、光等新能源，由于具有清洁、低碳、可再生的特征，其开发利用已是本质节能，因此可再生能源的节能工作往往不被重视。

风力资源是可再生能源领域中最具商业化规模开发的能源，是我国鼓励和支持开发的清洁能源，也是推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径。经过多年培育引导，我国风电已进入阶跃式发展阶段。一方面，随着大规模开发，曾经看似无时不有、无所不在的风资源正在变得稀缺；另一方面，补贴退坡、“风、火同价”、“平价上网”、“竞争性配置”等政策导向也给风电开发带来新的挑战。在新形势下，风电节能工作的必要性也日益显现。

从广义上说，风电场的节能管理工作贯穿建设运行的全过程。例如通过对微观选址、系统设计、设备选型的技术经济优化，让有限的风能场址发挥更大的效能，属于开发阶段的“开源”式节能工作。狭义的风电场节能工作，主要在运行维护环节，属于“节流”式节能工作，原理上与火电节能工作有相似之处，也是通过消耗较少（同等）能量得出同等（较多）功效，合理降低度电成本，依靠降本增效提高风电场的经济收益和竞争力。

1 风电场节能管理要点

1.1 风电场能源消耗

风电场的主要能源消耗是风能、电能、汽(柴)油。其中，风能是一种可再生能源，通常并不把风能的消耗统计在内，通过技术更新等手段提高风能利用效率，更多视作为一种技术增产。如果忽略检修车辆工作消耗的汽(柴)油，风电场综合能耗主要关注电力消耗，即维持风电场正常运行的生产用电、运维人员生活用电的厂用电。风电场一般综合厂用电率为3%～5%。

1.2 风电场节能路径

风电场的电能由风力发电机组生产，一般经由690V低压电缆、箱式变压器、集电线路，经主变压器(及无功补偿装置)接入电网。风电场用电和有功损耗主要有变压器、输电线路、风机机组和站内用电。

1.2.1 变压器节能

变压器运行中的功率损耗可分为两部分：一部分为空载损耗即铁损，另一部分为负载损耗，简称铜损。

1）设计阶段节能

（1）合理选择变压器容量。不宜选过大容量的变压器，因为“大马拉小车”现象将引起空载损耗增加；也不宜选容量过小的变压器，当变压器负载过大，将使变压器负载损耗增大。通常，电力变压器在50%～70%额定负载区间运行时其效率最高。

（2）选用先进材料的变压器。空载损耗与钢片厚度息息相关，其厚度越小损耗越小，但钢片厚度小到一定程度时空载损耗反而增加。因此，在设备选型阶段，材质上优先考虑采用优质硅钢片、非晶合金。负载损耗与绕组电阻有关，材质上应优先选择电阻较低的材料。

（3）选用节能型变压器。S11节能变压器由于其卷铁芯改变了传统的叠片式铁芯结构。铁芯无接缝，减少了铁芯距离，大幅减少了磁阻，S11变压器与S9变压器相比,空载损耗平均降低约30%，见表1。

S11-2000型变压器空载损耗为1 950W，而S9-2000型变压器空载损耗为2 900W。以风场配置30台箱式变压器为例，采用S11型的风场每年仅空载损耗节约电量可达25万k Wh，每年节省近15万元。按箱式变压器20年的使用寿命计算，S11型单台变压器在全寿命周期内节约的电费约为10万元，而且S11型与S9型变压器差价通常在5万以内，经济性突出。

表1 S9型/S11型变压器参数

（4）提高功率因素，选用合适的无功补偿装置。变压器负载损耗的大小取决于变压器负载率和功率因数。不同的功率因数引起的变压器的有功和无功消耗也不相同，即随着功率因数的提高，变压器的有功和无功消耗均会下降。因此，合理地配置无功补偿装置，改变无功潮流分布，可提高功率因数，减少通过变压器传输的无功功率，减少变压器损耗。目前的无功补偿装置，通常是按主变容量的20%进行配置，此类配置存在“大马拉小车”造成浪费，或者“力不从心”降低了功率因素，造成损耗增加。

2）运行阶段节能

变压器在运行时，三相不平衡越大损耗也越大，电压负载损耗也会随着变压器电压负载的变化而产生变化，导致变压器的有功损耗增加。目前，风电机组业主加装了额外的设备，如监视系统、振动装置、油品精滤等。此外，风电机组内部也存在很多220V单项电源用电设备，当负载不均匀，会造成电流不平衡，使风机的干式变压器损耗增加。在日常运行使用中，应做好定期测量和检查工作，及时发现三相不平衡情况，并做好相关调整。

变压器负载损耗随着电压的变化而变化，电压增加，负载损耗将减少。虽然空载损耗随着电压的增大而增大，但其增加幅度很小，通常将其视为固定损耗，不考虑其变化量。因此，在满足电网电压的前提下，可进行优化选择变压器档位，尽可能维持高电压，降低变压器损耗，提高其运行效率。

1.2.2 输电线路

输电线路主要是电力电缆。电力电缆的电能损耗在风电场综合电力损耗中占的比重较大，尤其是电力线路较长的海上风电，其输电电路的电能损耗甚至占到综合损耗的35%～45%。因此，在设计阶段减少电缆长度是重中之重，避免电缆路径迂回，升压（变电站）选址尽量靠近风场中心位置，深埋的电缆可以考虑采用抬升套管，减少电缆长度。

此外，对于电力电缆，应优先选用交联聚乙烯绝缘（X L P E）电力电缆，该电缆与同截面的电缆交联聚氯乙烯相比其绝缘效果更好，绝缘容许载流量大，损耗相对更小。

在运行阶段，电力电缆基本同变压器一样。随着电压的增大，线路损耗随之降低。为此，在条件允许的前提下，尽可能维持高电压，降低输电线路损耗。

1.2.3 风机自耗电

风力发电机组中自耗电的增加主要是风电机组内的辅助设备用电。不同风机机组每个设备的情况也不相同，一般辅助设备的总耗电量为机组功率的5%左右，耗电量也是较为可观的。

其中风力发电机组中耗电量较大的设备是发电机冷却系统、齿轮箱油泵系统。而其他各类电机和电子器件在正常工作的条件下整体耗电量相对较小，见表2。

表2 设备运行状态下的耗电量

风机增加的自耗电主要在机舱内部设备的降温，如能对机舱进行改造，改善运行工况，或利用塔筒的负压效应，将机舱的头、尾、塔筒贯通，形成机舱内的自然强排风，将能有效地降低机舱内的温度，从而降低风机自耗电。以上设想尚需结合实际情况进行计算验证。

在实际运行过程中，发电机冷却系统和齿轮箱冷却系统也存在参数设置不合理导致电量浪费的情况。有些型号的风机，在风机处于待机状态时，已启动了发电机和齿轮箱的冷却系统，而此时设备温度和环境温度并不高，可满足设备正常运行。由设备制造方将冷却系统启动参数调整至合理状态，也将有效地降低冷却系统耗电。

齿轮箱油泵节能也存在的空间。齿轮箱油泵经常会多注齿轮油，由此，一方面导致油脂溢出，脏污平台。同时，频繁的启动也会造成电能浪费。在实际运行中，应根据不同季节风电场的运行特性，灵活调整油泵参数，以减少润滑油脂的消耗和电量损耗。

风电场风机的理论切入风速和实际并网风速存在偏差，较多时段的理论切入风速并不能达到并网条件，风机启动后不能并网发电。此时，还需从电网吸收电能，造成设备磨损。形成电能损耗。由于空气密度会影响风能，而风机设计的切入风速值是生产厂商根据固定的空气密度设计的。但是在夏天、冬天和潮湿气候时的空气密度不尽相同。因此，可以考虑根据现场实际情况，按季节调整风机的切入风速，增产减耗。例如冬季潮湿季节可以调低切入风速，而夏季、干燥季节调高切入风速。根据现场的运行经验，调节幅度可以达±0.2m/s，经济效果较好。

1.2.4 风电场无功补偿运行方式节能

在风电场运行期间，根据电网要求，需对风电场整场进行无功补偿。目前电网要求配备20%容量的SVG设备，但SVG投运后损耗较大，为合理节能，可通过风机功率因素调节进行部分无功补偿，从而减少SVG的损耗，具体案例如下：

以某5万k W风电按满负荷情况进行计算，110k V主变无功损耗为5 400k Var，24台箱变为2 530 k Var，集电线路充电功率为-570 k Var，集电线路无功损耗为4 100 k Var，总无功损耗为11 460 k Var。

方案一：通过风机功率因素控制（0.99），机组可发无功-6 816 k Var，SVG投切补偿-4 644 k Var，SVG损耗为75k W。

方案二：不通过风机功率因素控制，机组不发无功，SVG投切补偿11 460k Var，SVG损耗为354k W。

方案一较方案二节省耗功率279k W,按全年风电场等效小时数2 200小时计算，每年可节省电量61.38万k Wh。

由上述案例可见，风电场通过风机功率因素调解，从而减少SVG设备投切补偿容量，可减少SVG设备损耗，达到了节能效果。

1.2.5 站内节能

站内节能，主要是设计阶段的建筑节能和运行期间的节能管理。建筑物节能主要是空调和采暖的保温。空调、采暖能耗在建筑物能耗中约占60%～70%。因此，空调及采暖能耗的管理，将是建筑物节能的最大收益。因此，在建筑物设计和施工时，应采用节能技术和节能材料。建筑物底层下铺设防潮和保温层，外墙采用保温材料，屋面铺设岩棉等做屋面保温。门窗采用节能门窗，例如：窗框采用断桥铝、玻璃采用双层真空玻璃、大门夹层采用保温材料。砌块使用空心加气砖等。在设计时，合理布置水管、电力管道，提高采暖、制冷、照明、通风、给排水和管道系统的运行效率。

运行期间的节能管理，一是加强照明、空调、冷热水器的管理使用。二是考虑使用节能设备，如节能空调、空气能热水器，在部分上网电价较高的风电场，也可以架设一些分布式太阳能光伏板，自发自用。

2 总结和展望

以上主要从微观层面对现有风电场设备的节能空间进行梳理，相对于规划、设计、开发环节的关键性优化，以及运用灵活多样的调度、交易手段减少弃风、扩大产能等措施所带来的广义节能效果，几乎不可同日而语，但任何产业都应信奉不以善小而不为理念，主动积极地降本增效，只有这样，才会在日益严峻的竞争中取得先机。

随着风力发电的发展方式从数量到质量的转变，建议进一步重视风电场节能的技术经济研究，重点关注新兴的“智慧风场”、“智慧风机”。研发广域式新能源感知、全景式新能源功率预测、智能化新能源控制技术等，借助互联网、大数据和人工智能技术，包括分析不同季节、气候过程、局部气温、空气密度、风向、局部地理特征、场站内单机之间尾流相互干涉与发电功率之间的深层次关联，建立和优化风资源预测模型和评价体系；打造新型风机控制模式，柔性制定不同风电场的管理策略和参数。研究风机的最优转矩控制和叶尖速比，实时分析不同风向对发电功率的影响；优化开机，实现全场功率最大化，根据风向变化提前调整偏航，做到新能源运行状态的自适应主动调整，减少机械载荷、提高抗疲劳强度、提升发电量。

改进风电场节能，除上述具体路径和措施，还需从管理方法上加以推进，采用整合创新成果、健全制度机制、完善提升标准、开展试点示范等手段，使之真正成为提升风电场竞争力的重要环节。