风力发电机组选型应用实例分析

王志江，徐文胜

（新疆昆仑工程咨询管理集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 国内外风力发电现状

地球上可利用的风力资源约有100亿千瓦时，超出全球水力发电总量的10倍左右。据全球风能理事会2020全球风电装机统计数据，从2002～2020年，全球风力发电新增装机容量有63013MW，同比增长22%之多。我国风力发电新增装机容量已达到30500MW。全球各国2020年底风电装机容量见表1。

表1 全球各国风电装机容量

我国拥有很丰富的风能资源，内陆地区平均年风速大于6m/s的大约占全国总面积的1%，居世界第3位，仅次于美国和俄罗斯。但我国风力资源的分布并不均匀。截至2019年底，我国风电累计装机有9个超过1000MW的省份，其中超过2000MW的省份有内蒙古、河北、辽宁和吉林。

2 风力发电机组分类及特点

目前在风力发电领域，风电机组具有代表性的有普通异步风力发电机组、双馈感应风力发电机组和直驱永磁同步风力发电机组三大类。

2.1 普通异步风力发电机

普通异步风力发电机组具有结构较为简单、效率高、维修成本低、耐用和稳定优点，其结构图如图1所示。但也存在转速基本恒定，无法抑制功率波动，易电网电压闪变，对电网电能质量造成影响诸多缺点。风力机与异步发电机转轴间增设了齿轮箱，与异步发电机转速相匹配。发电机定子绕组直接与电网相连，其频率与电网频率相同，异步发电机转差绝对值为2%～5%，风力机转速在很小范围内发生变化，故称为恒速风力发电机组。

图1 普通异步风力发电机组结构图

2.2 双馈感应风力发电机组

双馈感应风力发电机组的定子绕组直接连电网，转子绕组通过集电环和变流器连接电网，其结构图如图2所示。其中变流器可以按照控制的要求调节转自电流的频率、幅值、相位，从而实现双魁异步风力发电机组的变速恒频技术。双馈异步风力发电机组得到了广泛应用，其最大优点是实现能量双向流动。可实现有功、无功控制，在较宽转速范围内能跟踪风速变化进行最大风能捕获、追踪、控制。

图2 双馈感应风力发电机组结构图

2.3 直驱永磁同步风力发电机组

直驱永磁同步风力发电机组的结构图如图3所示，具有较高的运行可靠性与稳定性的特点，对电网波动适应性好，采用多级永磁交流发电机，省去齿轮箱由叶片转动轴直接驱动。发电机定子通过变频器与电网连接，发电机发出的全部功率通过变频器进行“全功率变换”。

图3 直驱永磁同步风力发电机组结构图

3 风力发电机组机型介绍

3.1 三种机型主要技术指标比较

满足1.5MW的风力发电机组由较知名厂商生产的产品有三个型号：WTG1、WTG2和 WTG3，将现有的变速恒频、变桨控制和最大功率跟踪技术成熟应用到机组中，能量转化率相比于传统的机组高出15%之多。三种机组重要指标如表2所示。

表2 风电机组主要技术参数一览表

由于以上三种风力发电机组的电机都采用双馈机组，变流器容量较小，节约成本，节省投资，实现了桨距角变化和变速恒频运行方式。以阜蒙县旧庙镇风电场为例，占地面积约为20km2，装机容量为200MW。一期建设45MW风电机组和220kV升压变电站一个。单台风电机组容量为1.5MW，共计需要安装30台，所有机组通过架空线汇入到220kV升压变电站与电网相连。风速较高的情况下，选用功率性能最好的WTG3-1500机组。

3.2 三种机型年上网电量计算

根据本风电场测风塔的数据以及当地气象站的实测数据，三种机型具体发电量统计如表3所示。

表3 三种机型年上网电量计算表

对比可知，WTG3-1500发电性能更优越，同样风力资源下，经济效益也最好，可节省投资，又多发电，是降低上网电价的有效方式。表4体现了三种机型经济指标。

表4 三种机型技术经济比较表

由表4可知，WTG3的单位电能静态投资性能指标数据排在最佳位置，故本风电场最终风机选择方案为30台1.5MW的WTG3机组为最终风电机型，将WTG3机型作为标准进行计算年发电能力，实现前文所计划一期45MW的发电容量。

4 结语

本文对阜蒙县旧庙镇风电场规划区进行实地考察，根据风能资源和地貌环境，预选出WTG1、WTG2、WTG3）三种机型，通过对比这三种风力发电机组的技术参数、年发电量和经济指标，选出最适合的WTG3型风电机组。通过勘察风电场所在地区地貌，利用人工布机调整方法，最终确定风电机组布机方案。