中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 童 威

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

1 廠用電率定義

廠用電率是目前電廠發(fā)展中的一項(xiàng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，該項(xiàng)指標(biāo)也會(huì)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(shí)際用電的部分包括照明系統(tǒng)、電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、采暖通風(fēng)系統(tǒng)以及保護(hù)系統(tǒng)等。當(dāng)前，對(duì)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(jì)數(shù)據(jù)來計(jì)算獲得，其二則是在電廠投產(chǎn)之后根據(jù)實(shí)際用電測(cè)量來獲得。進(jìn)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(shí)際運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)水平，對(duì)于電廠在今后的競(jìng)爭(zhēng)發(fā)展也有著重要意義[1]。

2 影響風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)廠用電率的主要原因

2.1 與風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的發(fā)電水平有關(guān)

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的特點(diǎn)是對(duì)環(huán)境具有較強(qiáng)依賴性，由于依靠風(fēng)能來進(jìn)行發(fā)電，也就是有風(fēng)能時(shí)就能發(fā)電，風(fēng)速較大時(shí)可以實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷發(fā)電，但風(fēng)速過小時(shí)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(shí)為了保證發(fā)電場(chǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，許多用電設(shè)備仍然不會(huì)停止運(yùn)行、需要用電，如果風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)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(chǎng)運(yùn)維人員的技術(shù)能力以及業(yè)務(wù)水平有關(guān)

運(yùn)維人員在很大程度上可以決定廠用電率的高低，運(yùn)維人員需具有較強(qiáng)的節(jié)能意識(shí)，自覺在照明、電暖等方面節(jié)電，但由于部分運(yùn)維人員的責(zé)任心不強(qiáng)，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(xiàng)設(shè)備的缺陷問題，尤其是風(fēng)機(jī)、箱變、集電線路的故障問題影響到正常發(fā)電，也會(huì)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(jì)方案的先進(jìn)性有關(guān)

采用落后的工藝設(shè)備會(huì)大大提高設(shè)備自身運(yùn)行過程中能耗，特別是大型設(shè)備如風(fēng)機(jī)、變壓器等，能耗越大廠用電率越高。風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)在設(shè)計(jì)階段線纜長(zhǎng)度偏長(zhǎng)、設(shè)備數(shù)量冗余、方案不合理等都會(huì)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(chǎng)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(jìn)一步加強(qiáng)用電管理，提升運(yùn)行人員綜合素質(zhì)，采用合理的工藝設(shè)備及設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)廠用電率的降低[2]。

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

3 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)廠用電率降低的有效措施分析

3.1 從系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面著手

3.1.1 合理優(yōu)化整廠的綜合布局

為進(jìn)一步降低風(fēng)力發(fā)電廠整體用電率，首先應(yīng)當(dāng)針對(duì)廠內(nèi)整體布局進(jìn)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(kuò)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(fèi)，制約了風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)綠色節(jié)能的發(fā)展前景，因此廠區(qū)設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電實(shí)際需求以及風(fēng)力發(fā)電設(shè)備運(yùn)行狀況對(duì)廠區(qū)布局進(jìn)行不斷優(yōu)化，進(jìn)而使發(fā)電過程當(dāng)中可能產(chǎn)生的能源損耗得到進(jìn)一步縮減，避免額外用電率對(duì)風(fēng)力發(fā)電廠運(yùn)行產(chǎn)生影響和制約。

具體來說，設(shè)計(jì)人員可針對(duì)以下幾個(gè)方面采取措施進(jìn)行優(yōu)化：首先是針對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)備布局進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過長(zhǎng)期實(shí)踐統(tǒng)計(jì)能夠得出結(jié)論，風(fēng)機(jī)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(diǎn)。設(shè)計(jì)人員可結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)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(shí)際風(fēng)流模式，采用Meteodyn-WT、WindFarmer 等風(fēng)電軟件優(yōu)化風(fēng)機(jī)布置，并通過人工進(jìn)行調(diào)整取得最優(yōu)風(fēng)電機(jī)組布置方案，使得風(fēng)機(jī)設(shè)備的運(yùn)行效率得以進(jìn)一步提升。

其次，優(yōu)化集電線路的電壓等級(jí)、分組方式、路徑、導(dǎo)線截面以及導(dǎo)線材質(zhì)。結(jié)合項(xiàng)目容量及風(fēng)機(jī)分布情況選擇合適的電壓等級(jí)；結(jié)合經(jīng)濟(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度，從而達(dá)到降低線路損耗的目的。

3.1.2 先進(jìn)的管理控制系統(tǒng)

所有風(fēng)電機(jī)組及升壓站部分采用先進(jìn)的自動(dòng)化管理控制系統(tǒng)，能夠較好地監(jiān)測(cè)能源的動(dòng)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(chǎng)項(xiàng)目盡量按“無人值班、少人值守”的方式設(shè)計(jì)，減少人為能耗。同時(shí)設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)，一般風(fēng)電場(chǎng)控制系統(tǒng)分為兩個(gè)部分，即風(fēng)力發(fā)電機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和110kV 升壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

兩套系統(tǒng)控制功能應(yīng)各自獨(dú)立，且風(fēng)力發(fā)電機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)具備與升壓站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信的功能。風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)建立有效的風(fēng)功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，加強(qiáng)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(yuǎn)的回路采用三相四線制配電。對(duì)無需長(zhǎng)期照明的場(chǎng)所設(shè)置照明開關(guān)，盡量做到人走燈滅；主要照明場(chǎng)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(duì)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(huì)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(dòng)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(duì)最佳工況區(qū)進(jìn)行優(yōu)化選擇

風(fēng)電場(chǎng)的工況區(qū)選址也會(huì)影響到廠用電率，因此要對(duì)最佳工況區(qū)開展優(yōu)化選擇。具體來說，在風(fēng)電場(chǎng)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(jìn)行分區(qū)，選擇對(duì)風(fēng)力發(fā)電最有利的場(chǎng)址，提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的出力水平，同時(shí)提高供電的經(jīng)濟(jì)性。此外，還要重視風(fēng)電場(chǎng)生產(chǎn)過程中的節(jié)電運(yùn)行，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(jí)的配電間的分布需結(jié)合升壓站總體規(guī)劃進(jìn)行，減少電纜用量，方便運(yùn)維，降低電纜損耗以及人為損耗，從而達(dá)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(jī)設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備

對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的主要設(shè)備進(jìn)行合理選型，也可以實(shí)現(xiàn)降低廠用電率的目標(biāo)，首先從主機(jī)設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備的選型和設(shè)計(jì)入手。

一是調(diào)整風(fēng)機(jī)機(jī)組的時(shí)間及風(fēng)速。若風(fēng)機(jī)機(jī)組本身達(dá)不到并網(wǎng)條件，就很容易導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，進(jìn)而造成設(shè)備磨損，還會(huì)消耗許多電能，而適當(dāng)對(duì)機(jī)組的風(fēng)速參數(shù)與時(shí)間參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以有效減少啟動(dòng)頻率，并進(jìn)一步降低機(jī)組的耗電能。此外，還要對(duì)慢速脫網(wǎng)以及快速脫網(wǎng)進(jìn)行調(diào)整，主要是將時(shí)間縮短、將功率調(diào)高，以此來應(yīng)對(duì)風(fēng)力不穩(wěn)、風(fēng)速較小的狀況，適當(dāng)減小啟動(dòng)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(jī)組，該機(jī)組的投入若是不及時(shí)，可能會(huì)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(huì)下降，這樣電能的質(zhì)量也不高，整體場(chǎng)內(nèi)的損耗會(huì)提高。因此，為了提升變電站的功率因數(shù)，就要結(jié)合實(shí)際負(fù)荷情況來投入電容器組，切實(shí)滿足場(chǎng)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(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)型進(jìn)行合理選擇。綜合考慮風(fēng)機(jī)的發(fā)電水平以及負(fù)荷水平，采用比選方式來選擇合適機(jī)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(shí)數(shù)較高，風(fēng)能品質(zhì)較好，開發(fā)價(jià)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(duì)風(fēng)能的捕捉較強(qiáng)以及實(shí)際發(fā)電效率較高的風(fēng)機(jī)，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(jìn)行變壓器設(shè)備的選型，包括主變壓器設(shè)備、風(fēng)機(jī)箱式變壓器等，都需盡可能選擇低損耗型號(hào)，減少變壓器運(yùn)行時(shí)的負(fù)荷損耗及空載損耗，提升運(yùn)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(jí)》要求進(jìn)行。實(shí)際使用中還發(fā)現(xiàn)，一臺(tái)三相變壓器的損耗要低于三臺(tái)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(yùn)行在高效率區(qū)。

此外，還要合理選擇無功補(bǔ)償設(shè)施。針對(duì)無功補(bǔ)償損耗采用新型節(jié)能感應(yīng)濾波變帶動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，實(shí)踐表明，這種無功補(bǔ)償裝置雖然會(huì)增加初期投資成本，但是節(jié)電性較好，預(yù)計(jì)靜態(tài)投資回收期約為25個(gè)月，還能夠提升變壓器設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。在風(fēng)力發(fā)電廠的運(yùn)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(jī)面對(duì)的運(yùn)行環(huán)境同樣也存在一定的差異。技術(shù)人員以及設(shè)計(jì)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(duì)變壓器類型、電纜材料、配套設(shè)備的性能與參數(shù)進(jìn)行選定，一方面使主輔發(fā)電設(shè)備的運(yùn)行流程更加完善高效，另一方面還能夠進(jìn)一步降低設(shè)備運(yùn)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(duì)母線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要是完善母線的布置，盡可能降低損耗，經(jīng)濟(jì)電流密度計(jì)算選取母線截面面積、對(duì)其工作溫度進(jìn)行降低，對(duì)接線部位的狀況加以關(guān)注，進(jìn)一步減小母線阻抗，提升母線運(yùn)行的穩(wěn)定性，進(jìn)而降低母線的電能消耗水平。此外，母線也應(yīng)當(dāng)運(yùn)用自然風(fēng)冷的方式，盡可能節(jié)省用電。

三是電動(dòng)機(jī)的合理選型。由于電動(dòng)機(jī)是屬于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)中常年運(yùn)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(yùn)行效率有關(guān)，為此要盡可能選擇高效電動(dòng)機(jī)。例如，一臺(tái)型號(hào)為45千瓦的發(fā)電機(jī)運(yùn)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(dòng)機(jī)一般比普通電動(dòng)機(jī)的效率高出3～5%，因此會(huì)具有十分明顯的節(jié)電效果，即使是更換高效電動(dòng)機(jī)會(huì)投入一定成本，也能夠在1～3年左右時(shí)間回收投資費(fèi)用。

四是對(duì)照明設(shè)備進(jìn)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(yùn)行中照明系統(tǒng)也是進(jìn)行電能消耗的環(huán)節(jié)，因此也需要進(jìn)行優(yōu)化。在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)使用白熾燈設(shè)備，這種照明設(shè)備的特點(diǎn)是耗電較高，同時(shí)，照明裝置的布置不合理也會(huì)導(dǎo)致電能浪費(fèi)，因此還要對(duì)照明燈具布置、選型以及照明控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。在不同的場(chǎng)合選用合理、先進(jìn)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(bǔ)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(jìn)一步減少廠用電量。

4 結(jié)語

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)廠用電率決定著電廠發(fā)展中的產(chǎn)能水平與經(jīng)濟(jì)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(chǎng)廠用電率降低的有效措施主要是從系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及設(shè)備選型和優(yōu)化兩個(gè)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(jì)方案，還要對(duì)主機(jī)設(shè)備與輔助系統(tǒng)設(shè)備、電氣設(shè)備的耗能進(jìn)行合理把控。