降低風(fēng)力發(fā)電場廠用電率的措施

中國能源建設(shè)集團湖南省電力設(shè)計院有限公司 童 威

風(fēng)力發(fā)電場本身就是對可再生清潔能源進行利用并生產(chǎn)電能，但本身系統(tǒng)運行的過程中也要消耗電能，近年來隨著對風(fēng)力發(fā)電場節(jié)能降耗工作的日益關(guān)注，如何降低風(fēng)力發(fā)電場廠用電率也成為研究熱點。

1 廠用電率定義

廠用電率是目前電廠發(fā)展中的一項技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，該項指標(biāo)也會影響到電力行業(yè)的發(fā)展，是體現(xiàn)發(fā)電廠生產(chǎn)電力過程中自身所必需消耗的電量與總發(fā)電量的比值。廠用電率由廠用電量決定，電廠實際用電的部分包括照明系統(tǒng)、電動機系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采暖通風(fēng)系統(tǒng)以及保護系統(tǒng)等。當(dāng)前，對廠用電率數(shù)據(jù)的獲取可以采用兩種方式：其一是根據(jù)電廠建設(shè)的相關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)來計算獲得，其二則是在電廠投產(chǎn)之后根據(jù)實際用電測量來獲得。進一步降低廠用電率，不僅可能節(jié)省電廠能源，還能夠提升電廠實際運行的經(jīng)濟水平，對于電廠在今后的競爭發(fā)展也有著重要意義[1]。

2 影響風(fēng)力發(fā)電場廠用電率的主要原因

2.1 與風(fēng)力發(fā)電場的發(fā)電水平有關(guān)

風(fēng)力發(fā)電場的特點是對環(huán)境具有較強依賴性，由于依靠風(fēng)能來進行發(fā)電，也就是有風(fēng)能時就能發(fā)電，風(fēng)速較大時可以實現(xiàn)滿負荷發(fā)電，但風(fēng)速過小時發(fā)電較少，若風(fēng)速小于每秒3米甚至?xí)Ｖ拱l(fā)電，這時為了保證發(fā)電場系統(tǒng)的安全運行，許多用電設(shè)備仍然不會停止運行、需要用電，如果風(fēng)力發(fā)電場發(fā)電水平低，那么廠用電率就偏高。

2.2 與風(fēng)力發(fā)電場運維人員的技術(shù)能力以及業(yè)務(wù)水平有關(guān)

運維人員在很大程度上可以決定廠用電率的高低，運維人員需具有較強的節(jié)能意識，自覺在照明、電暖等方面節(jié)電，但由于部分運維人員的責(zé)任心不強，未按照季節(jié)情況控制電暖以及照明系統(tǒng)，導(dǎo)致許多電能被損耗，再加上人員的業(yè)務(wù)水平不高，難以發(fā)現(xiàn)各項設(shè)備的缺陷問題，尤其是風(fēng)機、箱變、集電線路的故障問題影響到正常發(fā)電，也會導(dǎo)致電能白白損耗，導(dǎo)致發(fā)電量減少、廠用電率升高。

2.3 與工藝設(shè)備選型以及設(shè)計方案的先進性有關(guān)

采用落后的工藝設(shè)備會大大提高設(shè)備自身運行過程中能耗，特別是大型設(shè)備如風(fēng)機、變壓器等，能耗越大廠用電率越高。風(fēng)力發(fā)電場在設(shè)計階段線纜長度偏長、設(shè)備數(shù)量冗余、方案不合理等都會降低發(fā)電量、增加能耗、降低廠用電率。可見風(fēng)力發(fā)電場的廠用電率影響因素較多，在當(dāng)前節(jié)能理念的不斷推行下，還要進一步加強用電管理，提升運行人員綜合素質(zhì)，采用合理的工藝設(shè)備及設(shè)計方案，實現(xiàn)對廠用電率的降低[2]。

降低廠用電率是一項復(fù)雜且系統(tǒng)的工程，其涉及的內(nèi)容較多，除了要加強設(shè)計以外，還需要對設(shè)備性能加以改善，避免出現(xiàn)過高耗電情況，且實際生產(chǎn)發(fā)電水平也要進一步提升，根據(jù)不同的工況采取不同的運行手段，既保證滿足用電需求、也不造成電能過度浪費，該項工作還需進行深入研究。

3 風(fēng)力發(fā)電場廠用電率降低的有效措施分析

3.1 從系統(tǒng)設(shè)計方面著手

3.1.1 合理優(yōu)化整廠的綜合布局

為進一步降低風(fēng)力發(fā)電廠整體用電率，首先應(yīng)當(dāng)針對廠內(nèi)整體布局進行優(yōu)化。在傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電廠建設(shè)規(guī)劃過程當(dāng)中，為不斷提升發(fā)電效能往往盲目擴大廠區(qū)面積，導(dǎo)致發(fā)電過程當(dāng)中產(chǎn)生資源的嚴(yán)重浪費，制約了風(fēng)力發(fā)電場綠色節(jié)能的發(fā)展前景，因此廠區(qū)設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電實際需求以及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運行狀況對廠區(qū)布局進行不斷優(yōu)化，進而使發(fā)電過程當(dāng)中可能產(chǎn)生的能源損耗得到進一步縮減，避免額外用電率對風(fēng)力發(fā)電廠運行產(chǎn)生影響和制約。

具體來說，設(shè)計人員可針對以下幾個方面采取措施進行優(yōu)化：首先是針對風(fēng)機設(shè)備布局進行優(yōu)化。經(jīng)過長期實踐統(tǒng)計能夠得出結(jié)論，風(fēng)機設(shè)備占據(jù)風(fēng)力發(fā)電廠用電總量的25%至30%，已成為優(yōu)化廠用電率的重點。設(shè)計人員可結(jié)合風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電具體情況，充分考慮風(fēng)速同向風(fēng)、變風(fēng)速變風(fēng)向的實際風(fēng)流模式，采用Meteodyn-WT、WindFarmer 等風(fēng)電軟件優(yōu)化風(fēng)機布置，并通過人工進行調(diào)整取得最優(yōu)風(fēng)電機組布置方案，使得風(fēng)機設(shè)備的運行效率得以進一步提升。

其次，優(yōu)化集電線路的電壓等級、分組方式、路徑、導(dǎo)線截面以及導(dǎo)線材質(zhì)。結(jié)合項目容量及風(fēng)機分布情況選擇合適的電壓等級；結(jié)合經(jīng)濟電流密度選取合適的導(dǎo)線截面；合理的分組方式以及路徑能減少集電線路長度；選擇電阻率低的銅芯電纜。通過這些措施可提高集電線路輸電效率、減少線路損耗，降低廠用電率。減少因線路過長造成的線路損耗、減少線路損耗，降低廠用電率。合理的分組方式以及路徑能減少集電線路長度，從而達到降低線路損耗的目的。

3.1.2 先進的管理控制系統(tǒng)

所有風(fēng)電機組及升壓站部分采用先進的自動化管理控制系統(tǒng)，能夠較好地監(jiān)測能源的動態(tài)，控制能源消耗的情況，降低廠用電率。該措施科學(xué)有效，也是節(jié)能的具體措施之一。風(fēng)電場項目盡量按“無人值班、少人值守”的方式設(shè)計，減少人為能耗。同時設(shè)置風(fēng)電場控制系統(tǒng)，一般風(fēng)電場控制系統(tǒng)分為兩個部分，即風(fēng)力發(fā)電機組計算機監(jiān)控系統(tǒng)和110kV 升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

兩套系統(tǒng)控制功能應(yīng)各自獨立，且風(fēng)力發(fā)電機組監(jiān)控系統(tǒng)具備與升壓站計算機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的功能。風(fēng)電場應(yīng)建立有效的風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)，加強電力調(diào)度、提高并網(wǎng)發(fā)電量，同樣可以降低廠用電率。

3.1.3 優(yōu)化照明、暖通與空調(diào)系統(tǒng)

優(yōu)化配電方式，如供電距離較遠的回路采用三相四線制配電。對無需長期照明的場所設(shè)置照明開關(guān)，盡量做到人走燈滅；主要照明場所做到燈具交叉布置并分組控制，使電廠人員可根據(jù)不同工作的需要調(diào)整照度；對公共地區(qū)照明和路燈照明采用智能照明控制手段分組控制。主控制室、繼保室、會議室、辦公室、餐廳、標(biāo)準(zhǔn)間等采用分體式變頻空調(diào)，其他各功能房盡可能利用自然通風(fēng)。采暖系統(tǒng)采用溫度自動控制。通過以上優(yōu)化能有效減少能耗，降低廠用電率。

3.1.4 對最佳工況區(qū)進行優(yōu)化選擇

風(fēng)電場的工況區(qū)選址也會影響到廠用電率，因此要對最佳工況區(qū)開展優(yōu)化選擇。具體來說，在風(fēng)電場的宏觀選址方面，一定要做好風(fēng)能資源的調(diào)查，科學(xué)進行分區(qū)，選擇對風(fēng)力發(fā)電最有利的場址，提升風(fēng)力發(fā)電機組的出力水平，同時提高供電的經(jīng)濟性。此外，還要重視風(fēng)電場生產(chǎn)過程中的節(jié)電運行，對風(fēng)電場的綜合樓開展合理布置，要保證其便于人員辦公與巡查，中控室、繼保室以及各電壓等級的配電間的分布需結(jié)合升壓站總體規(guī)劃進行，減少電纜用量，方便運維，降低電纜損耗以及人為損耗，從而達到減少廠用電的目的。

3.2 從設(shè)備選型方面著手

3.2.1 主機設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備

對風(fēng)力發(fā)電場的主要設(shè)備進行合理選型，也可以實現(xiàn)降低廠用電率的目標(biāo)，首先從主機設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備的選型和設(shè)計入手。

一是調(diào)整風(fēng)機機組的時間及風(fēng)速。若風(fēng)機機組本身達不到并網(wǎng)條件，就很容易導(dǎo)致啟動時無法實現(xiàn)并網(wǎng)，進而造成設(shè)備磨損，還會消耗許多電能，而適當(dāng)對機組的風(fēng)速參數(shù)與時間參數(shù)進行調(diào)整，可以有效減少啟動頻率，并進一步降低機組的耗電能。此外，還要對慢速脫網(wǎng)以及快速脫網(wǎng)進行調(diào)整，主要是將時間縮短、將功率調(diào)高，以此來應(yīng)對風(fēng)力不穩(wěn)、風(fēng)速較小的狀況，適當(dāng)減小啟動頻率，避免部件之間產(chǎn)生過大沖突，節(jié)省能耗。

二是提升變電站裝置的功率因數(shù)。變電站內(nèi)一般設(shè)有并聯(lián)的電容器機組，該機組的投入若是不及時，可能會導(dǎo)致吸收電網(wǎng)的無功功率，從而造成電能消耗，而變電站的功率因數(shù)也會下降，這樣電能的質(zhì)量也不高，整體場內(nèi)的損耗會提高。因此，為了提升變電站的功率因數(shù)，就要結(jié)合實際負荷情況來投入電容器組，切實滿足場內(nèi)的無功功率需求，從而降低損耗，節(jié)省廠用電量。

三是對風(fēng)機機型進行合理選擇。綜合考慮風(fēng)機的發(fā)電水平以及負荷水平，采用比選方式來選擇合適機型，若風(fēng)力發(fā)電廠的位置主導(dǎo)風(fēng)向頗為集中，可利用發(fā)電的時數(shù)較高，風(fēng)能品質(zhì)較好，開發(fā)價值也比較高，那么可選擇掃風(fēng)面積較大、葉輪較大、額定風(fēng)速比較小、切出切入影響小，對風(fēng)能的捕捉較強以及實際發(fā)電效率較高的風(fēng)機，不僅能夠提升發(fā)電效率，也能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能降耗。

3.2.2 電氣設(shè)備

一是合理進行變壓器設(shè)備的選型，包括主變壓器設(shè)備、風(fēng)機箱式變壓器等，都需盡可能選擇低損耗型號，減少變壓器運行時的負荷損耗及空載損耗，提升運行效率，降低廠用電率。當(dāng)前國內(nèi)所制造的變壓器產(chǎn)品較多，在保證成本處于合理范圍內(nèi)的基礎(chǔ)上，要盡可能選擇節(jié)能效果較好的變壓器設(shè)備。例如，對風(fēng)電場的變壓器選型按GB 20052-2020《電力變壓器能效限定值及能效等級》要求進行。實際使用中還發(fā)現(xiàn)，一臺三相變壓器的損耗要低于三臺單相變壓器的組成體，為此變壓器都可以選用三相變壓器，變壓器的容量也要合理選擇，盡可能讓變壓器運行在高效率區(qū)。

此外，還要合理選擇無功補償設(shè)施。針對無功補償損耗采用新型節(jié)能感應(yīng)濾波變帶動態(tài)無功補償裝置，實踐表明，這種無功補償裝置雖然會增加初期投資成本，但是節(jié)電性較好，預(yù)計靜態(tài)投資回收期約為25個月，還能夠提升變壓器設(shè)備運行的穩(wěn)定性。在風(fēng)力發(fā)電廠的運行過程當(dāng)中，受用電規(guī)模、用電周期、用電頻次等方面因素的影響，發(fā)電機面對的運行環(huán)境同樣也存在一定的差異。技術(shù)人員以及設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前發(fā)電廠區(qū)用電環(huán)境針對變壓器類型、電纜材料、配套設(shè)備的性能與參數(shù)進行選定，一方面使主輔發(fā)電設(shè)備的運行流程更加完善高效，另一方面還能夠進一步降低設(shè)備運行過程當(dāng)中產(chǎn)生的額外用電量，使風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的用電率得到更加全面的控制和協(xié)調(diào)[4]。

二是對母線進行優(yōu)化設(shè)計。主要是完善母線的布置，盡可能降低損耗，經(jīng)濟電流密度計算選取母線截面面積、對其工作溫度進行降低，對接線部位的狀況加以關(guān)注，進一步減小母線阻抗，提升母線運行的穩(wěn)定性，進而降低母線的電能消耗水平。此外，母線也應(yīng)當(dāng)運用自然風(fēng)冷的方式，盡可能節(jié)省用電。

三是電動機的合理選型。由于電動機是屬于風(fēng)力發(fā)電場中常年運行的重要設(shè)備，一年消耗的電量較多，而其耗電量直接與運行效率有關(guān)，為此要盡可能選擇高效電動機。例如，一臺型號為45千瓦的發(fā)電機運行效率每提升1%，其一年的節(jié)省電能就能得到4000kWh 左右，而高效電動機一般比普通電動機的效率高出3～5%，因此會具有十分明顯的節(jié)電效果，即使是更換高效電動機會投入一定成本，也能夠在1～3年左右時間回收投資費用。

四是對照明設(shè)備進行節(jié)能選型優(yōu)化。主要是采用綠色照明設(shè)備，電廠的運行中照明系統(tǒng)也是進行電能消耗的環(huán)節(jié)，因此也需要進行優(yōu)化。在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中經(jīng)常會使用白熾燈設(shè)備，這種照明設(shè)備的特點是耗電較高，同時，照明裝置的布置不合理也會導(dǎo)致電能浪費，因此還要對照明燈具布置、選型以及照明控制系統(tǒng)進行合理設(shè)計。在不同的場合選用合理、先進的燈具結(jié)構(gòu)，選用LED 光源；采用環(huán)保節(jié)能型照明器具和高效節(jié)能燈；選用高功率因數(shù)型照明器，在鎮(zhèn)流器上加補償電容。此外，戶外區(qū)域也要加大推廣太陽能照明設(shè)備，進一步減少廠用電量。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電場廠用電率決定著電廠發(fā)展中的產(chǎn)能水平與經(jīng)濟效益，因此需盡可能降低廠用電量。由本文分析可知，風(fēng)力發(fā)電場廠用電率降低的有效措施主要是從系統(tǒng)設(shè)計以及設(shè)備選型和優(yōu)化兩個方面著手，要合理優(yōu)化整廠的綜合布局，科學(xué)優(yōu)化設(shè)計方案，還要對主機設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備、電氣設(shè)備的耗能進行合理把控。