李申一郎，陈小松

（陕西黄河能源有限责任公司，陕西西安 710000）

近年来，我国可再生能源产业发生了很大变化，也取得了举世瞩目的成绩。“十三五”期间，风电、光伏等可再生能源发电逐步成为我国能源结构转型的重要力量。截至2020年12月底，全国累计风电装机2.4 亿kW，光伏发电2.25 亿kW，生物质发电2617万kW，全年非水可再生能源发电量占全社会用电量比重超到9%以上，实现了2020年我国非化石能源占一次能源消费总量15%的阶段性目标。预计“十四五”期间，风电每年新增装机不少于3000万kW，风力发电技术将会在可再生能源产业中占据重要一席。

1 风力发电技术的优点

1.1 风力发电是一种清洁能源

风能在转化成机械能再到电能的一系列过程中，仅降低了空气流动的速度，没有给环境造成任何污染。风电没有火电、核电等对环境造成的污染问题。目前，核电的放射性废料处置仍是棘手问题。

1.2 安全可靠性高

风力发电技术不断发展和改进，单机容量不断增加，质量也不断提升，可利用率达到98%以上，是一种安全可靠的新型能源发电技术。

1.3 发电成本低

由于技术进步和设备生产厂家增多，风力发电机组的价格不断降低，风力发电的经济性日益增加。风力发电成本已低于水电和核电。若考虑用煤火电的环境污染、交通安全和煤价的不确定性等问题，风电的经济性也有一定优势。

1.4 风电场建设周期短

一般情况下，单台风力发电机组的安装时间仅需2～3d，而且机组与机组之间距离较远，可多台同时安装，互不干扰。建设一个中小型风电场，从土建、安装到投运，一般只需0.5～1a。而煤电、核电的建设一般需要2～5a。

1.5 节约土地

风电场占地面积少。风力发电机组、变电站仅占风电场场区约1%的土地，其余99%的土地可继续供农、林、牧使用，可建设风光、农牧互补项目。

风力发电技术具有的经济效益和社会效益不言而喻，它的发展受到了世界各个国家的高度重视。随着空气动力学、计算机技术、控制技术、发电机技术、新材料和新工艺的创新与发展，风力发电机组单机容量不断增大，从最初的十千瓦级已经发展到现在的兆瓦级，其中海上风力发电机组单机容量达到了十兆瓦以上。

2 风力发电的技术原理

风力发电是将风能转化为机械能，再由机械能转化为电能的一种新型发电技术。借助风的力量进行发电的设备称为风力发电机组，它的发电原理与水力发电、火力发电基本相同，遵循电磁感应原理，具体是通过自然风力带动风力发电机组叶轮旋转，再通过传动系统带动发电机转子转动切割磁感线，进而产生电能。并网型风力发电机组的整体结构分为叶轮（包括叶片、轮毂和变桨系统）、机舱（包括传动变速系统、发电机系统、辅助系统、控制系统等）、塔架和基础等几大部分。按照主轴的方向进行分类，可分为水平轴、垂直轴；按照叶片的数量进行分类，可分为双叶片、多叶片；按照结构进行分类，又可分为直驱式、半直驱式、双馈式；综合考虑经济性、实用性和美观性进行设计，目前市场中应用最为广泛的是三叶片、水平轴风力发电机组（图1）。

图1 水平轴风力发电机组

2.1 叶轮

叶轮装置是将风能转化为机械能的装置，自然风力带动类似螺旋桨形状的桨叶进行圆周运动，桨叶转动产生机械能。风速和风向是实时变化的，为实现对风能的充分利用，在叶轮后的机舱顶部安装风向标和风速仪，用于实时观测风向和风速变化，根据风向、风速的变动对应调整叶轮水平方向和叶片角度，使叶轮随时调整对准风向运转，确保叶轮吸收最多的风能。

2.2 发电机

发电机是将叶轮装置转化来的机械能转化为电能的装置。对于整个风力发电机组而言，不仅包含发电机，还包括机舱、轮毂、叶片等部件，只有在各个部件协调运作下，才能保证最大风力发电效率。其中，发电机将叶片受风力作用产生的机械能转化为电能；机舱用于对准风向，保证发电机获取最大风力；叶片、轮毂组装成叶轮共同旋转用于吸收风能。

2.3 机舱

机舱是放置主轴、齿轮箱、发电机、控制柜、偏航系统等的装置。其中永磁直驱型风力发电机组无齿轮箱，发电机设计在机舱外部，直接与叶轮相连接，跟随叶轮进行同步转动。机舱前部与叶轮或者发电机相连接，底部与塔筒相连接。

2.4 塔架

塔架是支撑叶轮、机舱、发电机的构架，塔架高度需要根据场址区风速大小、单机容量以及叶片直径大小进行确定，以保证塔架的高度位置能够满足叶轮装置的安全运行和机组功率要求。

3 传统风力发电机组调试技术

风力发电机组并网投运前的一项关键工作就是调试，主要目的是将风力发电机组的各个系统有机的结合在一起，协同运转，保证机组安全、长期、稳定高效地运行。调试工作开展的前提条件是机组的机械安装、电气安装完成，以及整机安装缺陷消除完成。一般分为静态调试和动态调试。

3.1 静态调试

静态调试指的是在风力发电机组不带电的情况下进行调试，主要目的是通过调试人员对变桨系统、偏航系统、液压系统进行检查、校准等一系列过程，保证动态调试的顺利、快速开展。

3.2 动态调试

动态调试指的是在风力发电机组带电的情况下进行调试，带电方式主要是通过风电场所接入的升压站将电能反送至风电场集电线路，再经连接集电线路的箱式变电站降压后送至风力发电机组。风力发电机组内部的控制系统和变频系统正常带电后，按照调试流程开展变频系统、通信调试、安全性试验等，全部工作结束后，风力发电机组自动偏航对风、变桨，最后叶轮开始旋转并网发电。这一系列工作的前提是风电场所接入的新建或者扩建的升压站已经建设完成并顺利受电。

4 风力发电机组调试新技术

4.1 新技术应用的背景

单个风电陆上建设规模50～100 MW 风电场项目，安装风力发电机组数量在20～50台，调试工作量不大，可在配套升压站建设完成受电后集中进行风力发电机组动态调试。但是建设规模达到几百兆瓦甚至上千兆瓦或者更大的大基地风电项目，风力发电机组数量将会达到几百至上千台，且一般大基地风电项目配套送出设施建设进度相对较慢，风电场带电时间无法掌控。采用传统方式调试（图2）不可控因素很多，将会损失大量时间，工期一旦延误，上网电价无法保证。在此背景下，风力发电机组调试技术迫切需要创新。图3为风力发电机组调试新技术。

图2 传统调试技术

图3 调试新技术

4.2 新技术的应用

一般风电场配套的升压站都会设计备用电源，施工期作为施工用电，建设完成后作为升压站的备用电源。此电源是从附近的国家电网配电设施接引而来，电压等级为10 kV 的架空线路。新技术方案主要是需要量身定制一台升压变压器，将此10 kV 电源通过定制的变压器升压至与风力发电机组配套箱式变电站高压侧电压等级35 kV 一致，再通过导线接引至场区集电线路最终将电能送入风力发电机组。在实际应用中需要根据调试耗电量及10 kV 电源容量设计升压变压器的容量、开关容量、保护定值及导线线径等技术参数，满足调试过程的电力负荷需求，以及确保调试过程的人员和设备安全。

4.3 新技术产生的效益

大容量或者大基地风电项目建设过程将会面临风力发电机组调试周期拉长的难题，主要原因在于并网风力发电机组数量多，并网工期紧，调试人员不足。在这种背景下，风力发电机组调试的新技术可被采用。风电场会建设数条集电线路，每条集电线路会接入多台风力发电机组。其中一条集电线路及附属的风力发电机组安装完成后即可通过定制的变压器接入升压站备用电源开展调试工作。对比传统调试技术，这种新技术最大程度提前了风力发电机组调试开始节点，缩短调试周期。后期升压站正常受电后，根据风电场建设规模，全部风力发电机组可在1～3d 时间内并网发电，如果按照传统调试方式进行，全部风力发电机组并网发电将会用1～2个月时间，甚至可能会更长。调试新技术的应用不仅可以保证节点工期避免电价降低，提前发电增收发电效益，而且不需要增加过多的调试人员，降低调试工作人员安全风险。虽然建设成本中增加了采购、安装升压变压器及其附属设施的费用，但是与整体效益相比，采用新技术产生的效益不言而喻。

5 结束语

2021年10月，我国提出将在沙漠、戈壁、荒漠地区加快规划建设大型风电光伏基地项目。2022年，国家发展和改革委员会又在经济和生态文明领域建设与改革情况发布会上提出要大力发展新能源发电，在沙漠、戈壁、荒漠地区规划建设超过4亿kW 大型风电光伏基地。可见在“十四五”期间，全国多个省份将会规划建设大型风电基地项目，届时单个风电核准项目的容量会越来越大，规划风力发电机组数量也会越来越多，风力发电机组调试的新技术将会在大型风电基地项目中发挥重要作用。随着科技技术的创新，风力发电机组调试技术未来也会得到进一步创新。