摘要：风能是洁净的可再生能源。风力发电不消耗矿物质能源、不污染环境、建设周期短、建设规模灵活、具有良好的社会效益和经济效益，是世界公认解决能源问题最好方式。我国风能资源丰富，风电有望成为我国第二大电源，将成为主要战略能源之一。目前，国家能源局发文要求风电实行平价上网，对风电开发的经济性要求越来越高。之前许多已经投产的高原型风电场，由于国家鼓励性电价补贴，造成一些风资源不好的风电场项目依然能够建设投产，造成了风资源的不合理充分利用。目前先进的V型垂直轴风机风能利用率好，投资成本低，能在垂直空间上与水平轴风机形成风资源的互补利用。本文结合V型垂直轴风机与水平轴风机在风能上的互补利用，提出了已建高原型风电场的垂直轴风机混装方案。通过分析，垂直轴风机混装方案与新建风电场相比节省了投资，充分利用了已建风电场的空闲资源，弥补了风资源不好的风电场的发电收益。
关键词：高原型风电场；平价上网；垂直轴风机；混装方案。
1引言
当前，全球能源正深刻变革，清洁低碳的可再生能源成为全球能源发展的主要方向。当前我国水电受资源条件、生态环境保护和建设输送成本影响，水电增长空间有限。而我国核电发展受政策影响和空间布局限制，核电发展空间也相对有限。因此，要加快能源结构调整，实现我国非化石能源消费2030年占比20%、2050年占比50%的宏伟目标，以风电、光伏发电为代表的可再生能源必将是主力军。
党的十八大以来，我国加快推进绿色发展，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，非水可再生能源取得了跨越式发展。截止2019年底，全国累计发电装机容量201066万千瓦，其中风电装机容量21005万千瓦，占总发电装机容量的10.45%。2019年底，云南累计风电装机容量863万千瓦，在全国风电装机容量中排名第九，成为中国风力发电十大省份之一。
由于云南属山地高原地形，境内的风电场基本都是高原型山地风电场，受地形限制风资源分布相对零散。本公司旗下建成的老尖山风电场属于云南高原风电场的典型代表，风资源较差且分布零散，风资源浪费严重。老尖山风电场的上网电价是0.61元/千瓦，项目完全依靠补贴资金才能够具备可开发条件。根据《国家发展改革委 国家能源局关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》发改能源〔2019〕19号文件，国家鼓励风电平价上网。按照可再生能源的发展趋势及国家政策，2021年中国将全面实行陆地风电场平价上网政策。由于受地形、生态环境和风资源等客观条件的限制，云南储备的风电项目中能符合平价上网的项目十分有限。
鉴于风电平价上网的严峻形势，本文提出在已建风场中混装垂直轴风机。目前的V型垂直轴风机能够有效克服“对风损失”和“疲劳损耗”，对低风速的利用效率比水平轴风机好，而且装机成本低至6000元/千瓦。[]垂直轴风机的优势使混装方案能有效提高已建风场空闲资源的利用率，节约投资提高发电效益。本文将结合公司建成的老尖山风电场，对垂直轴风机混装方案的研究进行阐述。
2垂直轴风机混装技术方案
2.1方案实施项目概况：
老尖山风电场项目云南省楚雄彝族自治州大姚县与姚安县交界的山脉，海拔高度在2270m～2560m之间。场区风资源一般，年平均风速仅7.03m/s，风功率密度255.9W/m2，风资源分布较零散，在长达21km的山脊上仅分布有24台风机，造成风资源的严重浪费。
通过采集风电场的常年风资源数据，分析研究风电场地形条件和风资源数据，得到老尖山风电场的风资源分布图。老尖山风电场80m高度风资源主要分布在一条长21km的东西向山脊，其风资源分布图如图1所示。[]
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图1 老尖山风电场80m高度场址范围内风能资源分布示意图
老尖山风电场为云南典型的高原型山地风电场，存在许多零散的、资源不佳、无法布置水平轴风机的山地，适合布置垂直轴风机。混装方案将结合老尖山风电场风资源分布情况，在风电场空闲的山地穿插安装40台1MW的垂直轴风机，以2台为一个增益机组进行安装，共计安装20组增益风机。由于垂直轴风机扫风范围与水平轴风机扫风范围形成互补，在垂直空间和资源利用上形成了互补。
2.2技术分析：
方案拟采用V型三叶片垂直轴风机，风能利用率高、抗风能力强、载荷重心低、系统造价少、安装维护容易，能够有效克服“对风损失”和“疲劳损耗”。项目垂直轴风机实物图如图2。
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图2 垂直轴风机实物图
垂直轴风机实物参数如下：
风机叶片数量3，风轮直径45米，叶片长度45米，风轮切入转速4rpm，风轮额定转速12rpm，最高发电速度11.8rpm，标准状态下额定功率1000kW，额定风速9.5m/s，极限风速60m/s，切入风速2.5m/s，切出风速40m/s，并网额定电压690V，并网额定频率50Hz，设计寿命25年。
本方案拟采用双机对转提高风能利用率，使垂直轴风机能更好的适用低风速场址。这里通过Ansys软件对双机对转的垂直轴风机开展风能测试，测试采用方案拟采用的45m×45m垂直轴风机，模拟老尖山风电场实地工况下（7m/s风速且保持9rpm转速），将两台垂直轴风机并列安装转向相反实现双机对转，测试风机周围的风能分布，测试结果如下图3所示。[]
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图3 垂直轴风机风能测试图
通过测试分析风机在单机和双机旋转所受到的力矩情况。单台风机旋转一周时，所受的旋转驱动力矩如图4蓝线（虚线为平均值）所示。双机对转时，其中单台风机所受的旋转驱动力矩如图4中红线（虚线为平均值）所示。通过分析，双机对转情况下单机旋转驱动力矩提高了1.33倍。
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图4 单双机旋转力矩
双机之间距离，结合实地的地形及风资源，通过软件计算测试得出最优距离，保证双机增效最好。
由于双机对转，适当增加叶片长度适应低风速工况，可以使功率曲线[]提前到达到额定功率，从功率曲线可以看出风机在9.5m/s（常规水平轴风机需要12m/s）达到额定运行状态。通过分析，双机对转的风机能够更好适应小风速发电。
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图5 垂直轴风机功率曲线
2.3电气方案
老尖山风电场垂直轴风机混装方案拟安装垂直轴风机40MW，共安装40台单机容量为1MW的垂直轴风机，两两形成一个双机对转的增益组。风电场以1回110kV线路接入就近的220kV升压站，输电距离约5.6km，导线型号为LGJ-150。风机出口电压为0.69kV，40台垂直轴风机通过箱变升压至35kV，通过2回35kV集电线路接入老尖山风电场现有110kV升压站。
升压站新建1台容量40MVA主变，110kV侧为线路-变压器组接线，35kV侧采用单母线接线。主变采用户外布置；110kV高压配电装置采用户外GIS设备。
在35kV母线上装设一组容量为±12Mvar动态无功补偿装置。
升压站400V站用电源采用多电源供电，一回通过升压站35kV站用变压器供电，一回引自老尖山风电场现有的10kV外引电源保证场用电供电可靠性。
根据目前风电控制技术的发展现状，风电场控制系统分为两个部分，即风力发电机组计算机监控系统和110kV升压站计算机监控系统，两套系统控制功能各自独立，且风力发电机组监控系统具备与升压站机计算监控系统数据通信的功能。
升压站内主要电气设备（110kV线路、主变压器、35kV线路等）的继电保护和自动装置根据有关继电保护和自动装置的规程规范及当地电网实际情况进行配置。继电保护选用微机型保护装置。
风机计算机监控系统由集中控制层和现场单机控制系统组成，由风机厂家配套提供。110kV升压站计算机监控系统由结构和功能均为分层分布的间隔层和站控层组成。风电场监控运维按照现有运行方式进行运维。
2.4风机布置
本期工程建设场址为山地地形，根据微观选址选取最优机位，风机增益机组轴线基本沿着垂直于主导风向西南方向进行布置，并满足施工场地和交通运输的要求，选择最佳风机位置。[]
风电机组的布置原则
（1）应充分考虑场址内盛行风向、不同高度的风速等风况条件，同等风况条件下，地质条件良好、运输安装方便的场地优先布置；
（2）合理利用土地资源和场地空间，同时应尽量减少风电机组之间的尾流影响；
（3）不同的布置方案按全场发电量，兼顾单机发电量的原则进行优化选择；
（4）尽量选用单机容量和机型相同的风电机组。
本工程风机布置在老尖山风电场空缺的可利用山地上，总共布置20组增益机组即40台单机容量1MW 的垂直轴风电机组。以老尖山1#垂直轴机组布置为例如图6所示：
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图6 老尖山1#垂直轴机组布置图
通过采集老尖山风电场常年的测风数据，用NRG软件分析老尖山风电场常年风向和风能分布，可得出老尖山风电场风资源玫瑰图。常年风向和风能分布在西南方向，因此增益组结合实地情况风机轴线尽可能垂直于常年风向布置。[]
2.5发电量估算
本阶段使用老尖山风电场 2018 年 1 月 1 日～2019 年 1 月 1 日一个完整年的实测小时平均风速7.03m/s，风功率密度为255.9W/m2。本文使用 Wasp9、Windfarmer4.1.1.0 软件进行风电场发电量测算，全场40台垂直轴风机（45米叶片）年发电量为10427.82万kW•h。[]考虑空气密度折减、风机功率曲线折减和叶片污染折减等综合折减系数后，预估年上网电量为8213.99万kW•h，等效满负荷小时数2053.5h，容量系数0.234。
3工程概算及经济分析
3.1概算编制依据
工程项目费用性质划分、定额及取费标准：采用《陆上风电场工程设 计概算编制规定及费用标准》（NB/T31011-2011），《陆上风电场工程概算定额》（NB/T31010-2011），可再生定额[2016]32 号文关于发布《关于建筑业营业税改 征增值税后风电场工程计价依据调整实施意见》的通知，《老尖山风电场工程竣工决算书》。
3.2工程概算
施工辅助工程680万，设备及安装工程18106.79万，建筑工程1434.31万，其他费用635.61万，基本预备费608.66万，110千伏送出线路350.56万，建设期利息537.11万。
工程静态总投资21833.93万，工程动态总投资22371.04万。单位千瓦的静态投资5458.48万，单位千瓦的动态投资5592.76万。
3.3经济分析
老尖山风电场垂直轴风机发电量可达10427.82万kW•h，年上网电量8213.99万kW•h。根据工程概算表，方案项目总投资2.2371亿元。按照平价上网电价0.3358元/kW•h，每年可实现发电收益2758.26万元，投资收益率达12.33%，投资回收期（税后）5.73年。通过分析，方案在财务和经济上是可行的。
4方案优势与发展前景
4.1方案优势
从单一风机角度上，混装方案中的垂直轴风机具有多个优点：齿轮箱放置在底部，重心低、稳定、维护方便，并且降低了成本；垂直轴风轮的翼片在旋转过程中由于惯性力与重力的方向恒定，疲劳寿命要长；垂直轴风力发电机有效克服“对风损失”和“疲劳损耗”，风能利用率高；垂直轴风力机不需要迎风调节系统，可以接受360度方位中任何方向来风；垂直轴风机的翼片主要承受拉应力，不易折断，寿命长；垂直轴风力机翼片的尖速比较小，这样的低转速基本上不产生气动噪音。
除了风机本身的特性优势，在投资建设方面也存在较多的优势。方案在已建风电场中穿插安装1MW垂直轴风机，能够对现有的大量的空闲资源充分利用。方案利用已建风电场的道路等工程设施，与新建风电场相比节省了投资，同时减少环境破坏，迎合了当前的环境保护的大趋势。目前，随着垂直轴风机技术的发展，装机成本已经能够控制在6000元/kW以内。通过上述经济分析可知，垂直轴风机投资效益好，完全能够满足平价上网的条件。
4.2发展前景与展望
目前，国家风能开发的政策向环保节约的方向倾斜，低投资成本、低环境破坏已成为一种趋势。根据《国家发展改革委 国家能源局关于积极推进风电、光伏发电无补贴平价上网有关工作的通知》发改能源〔2019〕19号，国家目前鼓励风电平价上网，到2021年陆上风电将全面实施平价上网。受地形、生态环境和风资源等客观条件的限制，云南储备的风电项目中能符合平价上网的项目十分有限。经济效益较好的垂直风机混装方案能够避开政策限制，实现对已建风场空闲资源的开发再利用。在平价上网的严峻形势下，垂直轴风机混装方案将成为突破高原型风电开发瓶颈的新途径。本文方案以云南高原型风电为例讲述，但方案的适用范围不仅限于高原型风电场，其他情况类似的山地风电场同样适用。云南累计风电装机容量达863万千瓦，加上全国其他山地型风电场，可开发规模非常可观，垂直轴混装方案的发展前景十分广阔。
本文提出的垂直轴风机混装方案仅停留在软件模拟阶段，还存在许多不确定性和局限性。实际的山地条件下风能气流对垂直轴风机的发电量和安全性的影响不确定，还有待实施样机开展进一步的实验与论证。
5结语
当前，全球能源正发生深刻的变革，清洁低碳的可再生能源成为全球能源发展的主要方向。风力发电不消耗矿物质能源、不污染环境、建设周期短、建设规模灵活、具有良好的社会效益和经济效益，是世界公认解决能源问题最好方式。我国风能资源丰富，风电有望成为我国第二大电源，将成为主要战略能源之一。目前，按照可再生能源的发展趋势及国家政策，2021年中国将全面实行陆地风电场平价上网政策。由于受地形、生态环境和风资源等客观条件的限制，待开发的风电资源中类似云南的山地风电中能符合平价上网的项目十分有限。
针对风电平价上网的严峻形势下山地型风电发展瓶颈，本文提出在已建风场中混装垂直轴风机的方案。为了使垂直轴风机能更好的适用低风速场址，方案采用双机对转的增益机组。为了验证双机对转的增益效果，本文利用软件模拟分析了双机对转时风机周围的风能分布，双机对转的增益效果得到了验证。文中还通过使用Wasp9等风能分析软件，结合实例云南老尖山风电场的场址和数据，对方案的技术和经济可行性进行了分析。通过分析，垂直轴风机混装方案风能利用率高，既节省投资又减少环境破坏，完全能够满足平价上网的条件，方案是可行的。
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论文作者:黄缚虎1,刘飞2,李直达3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第31期
论文发表时间:2020/4/2
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