風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型應(yīng)用實(shí)例分析

王志江，徐文勝

（新疆昆侖工程咨詢管理集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

1 國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電現(xiàn)狀

地球上可利用的風(fēng)力資源約有100億千瓦時(shí)，超出全球水力發(fā)電總量的10倍左右。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)2020全球風(fēng)電裝機(jī)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從2002～2020年，全球風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量有63013MW，同比增長22%之多。我國風(fēng)力發(fā)電新增裝機(jī)容量已達(dá)到30500MW。全球各國2020年底風(fēng)電裝機(jī)容量見表1。

表1 全球各國風(fēng)電裝機(jī)容量

我國擁有很豐富的風(fēng)能資源，內(nèi)陸地區(qū)平均年風(fēng)速大于6m/s的大約占全國總面積的1%，居世界第3位，僅次于美國和俄羅斯。但我國風(fēng)力資源的分布并不均勻。截至2019年底，我國風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)有9個(gè)超過1000MW的省份，其中超過2000MW的省份有內(nèi)蒙古、河北、遼寧和吉林。

2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分類及特點(diǎn)

目前在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)電機(jī)組具有代表性的有普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三大類。

2.1 普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)

普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具有結(jié)構(gòu)較為簡單、效率高、維修成本低、耐用和穩(wěn)定優(yōu)點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。但也存在轉(zhuǎn)速基本恒定，無法抑制功率波動(dòng)，易電網(wǎng)電壓閃變，對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響諸多缺點(diǎn)。風(fēng)力機(jī)與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸間增設(shè)了齒輪箱，與異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相匹配。發(fā)電機(jī)定子繞組直接與電網(wǎng)相連，其頻率與電網(wǎng)頻率相同，異步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)差絕對(duì)值為2%～5%，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速在很小范圍內(nèi)發(fā)生變化，故稱為恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

圖1 普通異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2.2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的定子繞組直接連電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組通過集電環(huán)和變流器連接電網(wǎng)，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。其中變流器可以按照控制的要求調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)自電流的頻率、幅值、相位，從而實(shí)現(xiàn)雙魁異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻技術(shù)。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組得到了廣泛應(yīng)用，其最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)能量雙向流動(dòng)。可實(shí)現(xiàn)有功、無功控制，在較寬轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)能跟蹤風(fēng)速變化進(jìn)行最大風(fēng)能捕獲、追蹤、控制。

圖2 雙饋感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

2.3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，具有較高的運(yùn)行可靠性與穩(wěn)定性的特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)適應(yīng)性好，采用多級(jí)永磁交流發(fā)電機(jī)，省去齒輪箱由葉片轉(zhuǎn)動(dòng)軸直接驅(qū)動(dòng)。發(fā)電機(jī)定子通過變頻器與電網(wǎng)連接，發(fā)電機(jī)發(fā)出的全部功率通過變頻器進(jìn)行“全功率變換”。

圖3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)圖

3 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)型介紹

3.1 三種機(jī)型主要技術(shù)指標(biāo)比較

滿足1.5MW的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由較知名廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品有三個(gè)型號(hào)：WTG1、WTG2和 WTG3，將現(xiàn)有的變速恒頻、變槳控制和最大功率跟蹤技術(shù)成熟應(yīng)用到機(jī)組中，能量轉(zhuǎn)化率相比于傳統(tǒng)的機(jī)組高出15%之多。三種機(jī)組重要指標(biāo)如表2所示。

表2 風(fēng)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)一覽表

由于以上三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電機(jī)都采用雙饋機(jī)組，變流器容量較小，節(jié)約成本，節(jié)省投資，實(shí)現(xiàn)了槳距角變化和變速恒頻運(yùn)行方式。以阜蒙縣舊廟鎮(zhèn)風(fēng)電場為例，占地面積約為20km2，裝機(jī)容量為200MW。一期建設(shè)45MW風(fēng)電機(jī)組和220kV升壓變電站一個(gè)。單臺(tái)風(fēng)電機(jī)組容量為1.5MW，共計(jì)需要安裝30臺(tái)，所有機(jī)組通過架空線匯入到220kV升壓變電站與電網(wǎng)相連。風(fēng)速較高的情況下，選用功率性能最好的WTG3-1500機(jī)組。

3.2 三種機(jī)型年上網(wǎng)電量計(jì)算

根據(jù)本風(fēng)電場測風(fēng)塔的數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)貧庀笳镜膶?shí)測數(shù)據(jù)，三種機(jī)型具體發(fā)電量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 三種機(jī)型年上網(wǎng)電量計(jì)算表

對(duì)比可知，WTG3-1500發(fā)電性能更優(yōu)越，同樣風(fēng)力資源下，經(jīng)濟(jì)效益也最好，可節(jié)省投資，又多發(fā)電，是降低上網(wǎng)電價(jià)的有效方式。表4體現(xiàn)了三種機(jī)型經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

表4 三種機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

由表4可知，WTG3的單位電能靜態(tài)投資性能指標(biāo)數(shù)據(jù)排在最佳位置，故本風(fēng)電場最終風(fēng)機(jī)選擇方案為30臺(tái)1.5MW的WTG3機(jī)組為最終風(fēng)電機(jī)型，將WTG3機(jī)型作為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算年發(fā)電能力，實(shí)現(xiàn)前文所計(jì)劃一期45MW的發(fā)電容量。

4 結(jié)語

本文對(duì)阜蒙縣舊廟鎮(zhèn)風(fēng)電場規(guī)劃區(qū)進(jìn)行實(shí)地考察，根據(jù)風(fēng)能資源和地貌環(huán)境，預(yù)選出WTG1、WTG2、WTG3）三種機(jī)型，通過對(duì)比這三種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)參數(shù)、年發(fā)電量和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，選出最適合的WTG3型風(fēng)電機(jī)組。通過勘察風(fēng)電場所在地區(qū)地貌，利用人工布機(jī)調(diào)整方法，最終確定風(fēng)電機(jī)組布機(jī)方案。