01風力發(fā)電機組方案設計

風力發(fā)電機組是一種利用風能轉(zhuǎn)化為電能的設備。由風輪、發(fā)電機、塔架和控制系統(tǒng)等部分組成。在設計風力發(fā)電機組方案時，需要考慮以下幾個方面：風資源評估、電力需求、風輪選擇、塔架設計、發(fā)電機選擇和控制系統(tǒng)設計。

1、風資源評估

進行風資源評估是設計風力發(fā)電機組的第一步。通過選擇合適的測風點，并收集風速和風向數(shù)據(jù)，對風能資源進行評估，以確定是否適宜建設風力發(fā)電機組。

2、電力需求

根據(jù)實際需求和預測負荷，確定所需的風力發(fā)電機組容量。容量的選擇應該在滿足電力需求的前提下，盡量避免過度建設。同時，還需要考慮系統(tǒng)的可靠性和各用容量，以應對突發(fā)負荷增加和設備故障等情況。

3、風輪選擇

風輪的設計和選擇是風力發(fā)電機組方案設計的核心。常見的風輪類型有水平軸和垂直軸兩種。水平軸風輪通常是三葉片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動方向與風向垂直；垂直軸風輪則可以是多葉片或直翼葉片結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)動方向與風問平行。根據(jù)風能資源評估結(jié)果，選擇適應當?shù)仫L速和風向的風輪類型和直徑。

（資料圖：中船海裝）

4、塔架設計

塔架的高度會影響到風輪的受力和發(fā)電效率。一般情況下，塔架的高度應該使風輪轉(zhuǎn)動區(qū)域能夠達到更高風速的區(qū)域，但同時也要考慮成本和可行性。適當?shù)乃芨叨饶軌蛱岣甙l(fā)電效率，減小受地面摩擦影響，但過高的架會增加制造和安裝成本。

5、發(fā)電機選擇

發(fā)電機通常是由風輪帶動的，并將機械能轉(zhuǎn)化為電能。根據(jù)風力發(fā)電機組的容量和設計要求，選擇合適的發(fā)電機類型和額定功率。常見的發(fā)電機類型有同步發(fā)電機和異步發(fā)電機。同步發(fā)電機適用于大型風力發(fā)電機組，而異步發(fā)電機適用于小型和中型風力發(fā)電機組。

6、控制系統(tǒng)設計

控制系統(tǒng)對于風力發(fā)電機組的運行和性能至關重要。控制系統(tǒng)應該能夠監(jiān)測風速、風向和電力需求等參數(shù)，并通過調(diào)整轉(zhuǎn)速和葉片角度等參數(shù)來實現(xiàn)最佳發(fā)電效果。同時，控制系統(tǒng)還需要具備故障檢測和保護功能，以保證設備的安全運行。

02風力發(fā)電機組的設計類型等級

風電機組的設計類型等級由參考風速、平均風速和湍流強度等參數(shù)來規(guī)定，不同的參數(shù)確定了不同的類型等級。不同的風電場符合不同的類型等級，項目配置就需要選擇對應類型等級的風電機組，以確保風機的安全運行。

風機設計可以針對標準類型等級或現(xiàn)場特定條件進行，下表列出了風機不同類型等級的基本參數(shù)：

Vref: 參考風速

Vave: 平均風速

A,B: 湍流等級

I15: 15米/秒時的湍流強度

a: 斜率參數(shù)

03影響風電機組設計的條件

1、風速

進行風電機組設計首要考慮的環(huán)境因素就是風速數(shù)據(jù)，根據(jù)風速特征數(shù)據(jù)來確定風機類型等級。

2、尾流影響

風電場的風電機組布置應考慮到風電機組之間尾流的影響，風電機組之間的距離至少保證3倍的葉輪直徑，在主風向上，風電機組間的距離應更大一些。氣流在經(jīng)過風電機組葉片時能量會減小，實際上，風電機組的葉片對風速有阻擋作用，在風電機組的下風向會產(chǎn)生類似輪船尾流的效果，該區(qū)域內(nèi)會產(chǎn)生較大的湍流，同時風速也會降低。

3、工作溫度和海拔

工作溫度和海拔會影響目標地區(qū)的空氣密度，空氣密度的大小會影響載荷計算和冷卻系統(tǒng)的設計，工作溫度和海拔數(shù)據(jù)的獲得比較容易確定，可以從一個或多個目標市場的風資源數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)中確定。

（資料圖：遠景能源）

4、生存溫度

生存溫度是機組不會損壞的極限溫度范圍，極限溫度影響機組上各部件材料的剛度，確定機組的生存溫度，工程師才能根據(jù)這個溫度參數(shù)進行各種結(jié)構(gòu)的剛度計算分析，確定材料的溫度適應性能。生存溫度一般從當?shù)氐亩嗄隁庀髷?shù)據(jù)統(tǒng)計中取得。

5、沙塵暴

目標市場是否存在沙塵天氣，會影響風電機組冷卻系統(tǒng)和過濾器的設計，在有沙塵暴天氣的地區(qū)，風機需要考慮防沙塵設計，零部件需要設計相應的沙塵過濾裝置，來保護機電部件免受沙塵的危害。

6、閃電

當風機遇到閃電時，若沒有設計防雷保護系統(tǒng)或防雷保護系統(tǒng)的雷電保護等級不足，風機可能會因閃電造成葉片或機組內(nèi)部原件損壞，甚至引起火災而造成重大損失。一般風機會按照較高等級的防雷標準進行防雷保護系統(tǒng)的設計。

7、地震

風電場所在地區(qū)的地震歷史數(shù)據(jù)影響機組塔筒和基礎的設計，確定了地震數(shù)據(jù)等級，才能設計滿足該等級的塔筒和基礎，避免設計安全系數(shù)過大成本過高，或安全系數(shù)低于目標風場而引起安全問題。

8、設備腐蝕

風電項目建設對于特定的地區(qū)，其環(huán)境對設備的腐蝕程度各有不同，風機的設計壽命一般是20年或25年，如何確保風機能夠在這么長的工作壽命期內(nèi)不因環(huán)境腐蝕而損壞。就需要根據(jù)實際的環(huán)境設計對應防腐要求的部件，保護風電設備免受腐蝕的影響。

（資料圖：象山蒼南海上風電場）

9、地形條件

滿足風電機組的運輸條件和安裝條件。在平坦地形條件下，滿足這一原則是很容易的的。在山區(qū)，滿足這一原則經(jīng)常有難度。要根據(jù)所選機型需要的運輸機械和安裝機械的要求，機位附近要有足夠的場地能夠作業(yè)和擺放葉片、塔筒，道路有足夠的坡度、寬度和轉(zhuǎn)彎半徑使運輸機械能到達所選機位。

10、視覺美觀

視覺上要盡量美觀。在與主風能方向平行的方向成列，垂直的方向上成行。行間平行，列距相同。行距大于列距發(fā)電量較高，但等距布置在視覺上較好。追求視覺上的美觀，會損失一定的發(fā)電量，因此在經(jīng)濟效益和美觀上，也要有一定的平衡。

11、客觀條件限制

(1) 風電機組與村莊的距離一般要求500m以上，特殊情況至少300m。

(2) 風電機組離110kV及以上電壓等級線路150m以上。

(3) 風電機組要避開基本農(nóng)田、礦產(chǎn)、文物、軍事用地、自然保護區(qū)以及其他環(huán)境敏感區(qū)域。

04風力發(fā)電機組認證要求 

我國風電行業(yè)已建立起相對比較完善的風電整機裝備及部件認證體系，風電機組整機裝備及部件的認證逐步成為保證風電產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的重要管理手段和方法。目前， 風電領域的認證范圍包括 ：

一、設計認證

通過設計評估、場地試車（安全及功能試驗）和生產(chǎn)質(zhì)量控制審核等，對新型號的風電機組與標準/規(guī)范的符合性進行評價。機組選型時，應選擇獲得行業(yè)專業(yè)機構(gòu)設計認證證書的機型。

二、型式認證

2014年9月，國家能源局印發(fā)《關于規(guī)范風電設備市場秩序有關要求的通知》（國能新能〔2014〕412 號），明確提出風電行業(yè)要“加強檢測認證確保風電設備質(zhì)量”。文件規(guī)定，接入公共電網(wǎng)的風電機組及其風輪葉片、齒輪箱、發(fā)電機、變流器、控制器和軸承等關鍵零部件必須進行型式認證。機組選型時，需要確認機型具備相應的機組型式認證證書。

三、項目認證

評估已通過型式認證的風電機組和對應的塔基設計是否能與外界條件、可適用的構(gòu)造物和電力參數(shù)相適應，以及是否滿足與指定場地有關的其他要求。項目認證應評估場地的風能資源條件、其他環(huán)境條件、電網(wǎng)條件及土壤特性是否與定型風電機組設計文件和塔基設計文件中確定的參數(shù)相一致。因此，機組選型時，應選擇經(jīng)過項目認證的機型。

風力發(fā)電機組系列產(chǎn)品認證規(guī)則如下表：