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（聊城市水利工程总公司 山东 聊城 252000）
【摘 要】结合具体风力发电项目，在小功率集群式风电系统集成设计、优化和实施方面进行了大胆探索和研究，并依据系统应用反馈信息，对类似工程的设计建设过程中应当注意的问题和需要采取的措施阐明了自己观点。
【关键词】小功率；风力发电；集群式；设计；优化
Small power gathers group of type breeze electricity system to design and studies
Du Dai-jun
(Hydraulic Engineering Parent Corporation of Liaocheng City Liaocheng Shandong 252000)
【Abstract】Combine concrete wind power project, gather a group of type breeze in the small power electricity the system integration design, excellent turn and carried out aspect to carry on brave investigate and research, and according to system application feedback information, to process of the design construction that is similar to engineering should the problem and measure that need to be adopted noticing clarified oneself's standpoint.
【Key words】Small power Wind power Gather group of type Design Excellent
1. 概述
在全球能源紧张、注重环保建设节约型社会的今天，提高能源利用效率和发展可再生能源已成为无可争议的可持续发展能源的两个重要方面。权威专家指出，风能、太阳能等可再生能源是从根本上解决能源问题的主要途径之一。国内外风电场多为大功率风机，而10千瓦以下风机又多为单机运行设计，小型风机的集群式优化设计研究较少。本课题结合工程建设实际需求，经认真分析设计，我们设计实施了谭庄水库30千瓦集群式风力发电项目，不仅取得良好的运行效果，也为小功率风机群的系统集成设计和应用作出了有益的创新和研究。
2. 立项缘由
谭庄水库位于山东省聊城市南部，库区占地2200亩，总库容813万立方米，距市区5公里，地理位置优越，交通便利。是为保证“江北水城”水源安全，提升水城环境品质，解决因东昌湖从二干渠引水沉沙造成城区南部生态环境恶化问题而兴建的。其中出库泵站主变利用率低、运行费用大的现状，急需新的供电电源。另外随着库区环境的逐步建设和城市规划的顺利实施，必将成为一所集供水、休闲、游乐功能于一体的综合性旅游景区，而风电以其独有的环保、节能、美观的特点，结合先进的控制技术，可实现景观和实用的完美结合。
3. 可行性分析
3.1 风能资源的特点。(1)取之不尽，用之不竭。(2)分布广泛，利用方便：如果将10米高处的风能密度大于150-200w，为有利用价值的地区，则全世界约三分之二的地区可达此标准。(3)不污染环境，不破坏生态，为清洁安全的能源。(4)周而复始，可以再生：风力在自然界中可以不断生成并有规律的得到补充。(5)不稳定性：风的瞬时变动、日变化，季节变化以至年变化都十分明显。(6)受地形影响大，地区差差异著：风力的局部地形差异明显，即使在同一地区，地形下的风力条件往往处于不利位置。
3.2 风力资源分析。聊城市地处山东省西部，北纬35°47'～37°03′，东经115°16′～116°30′，地势平坦，海拔高度27.5～49.0米，属于温带季风气候区，具有显著的季节变化和季风气候特征。据统计聊城市全年平均风速为3.4米/秒，风能密度在50～150W之间，属风能可开发利用区。月平均风速随季节的变化规律是：春季风速较大，4月份月平均风速最大，为4.5米/秒；夏季风速较小，8月份月平均风速为2.5米/秒，但在局地出现强对流天气时，也能出现短时大风。全年最多风向为南风、偏南风，出现频率为44%，又以春季出现的频率最高；其次为北风、偏北风，出现频率为30%，冬季出现次数较多；东、西风在全年出现次数较少。
另外，水库围坝为碾压式均质土坝，设计坝高8.17米，北坝段周围地势开阔，周围没有挡风建筑物及防护林带，加之风机立杆高度，风力条件较好。
4. 工程设计
4.1 工程选址。风机安装位置的选择对于整个风电系统的运行成功与否至关重要，应充分考虑风速、风向、高度等地形影响，以及紊流、极强风、雷击、沙尘等气象因素，并综合景观效果等综合因素考虑，将风机位置定为出库泵站以西320米范围内，坝顶安装，W形单排错落分布。
4.2 风机选择。根据本地年平均风速3.4米/秒，平均有效风能密度l00W／m2以上的风能条件，选择了适于风力资源较丰富地区使用的3~5千瓦小型风机。以便充分利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。考虑景观需求，选用了自动对风，自动保护运行的新型水平轴风机产品，并采用锥度杆安装方式。
4.3 控制方式。由于风机功率较小，属小型风机群系统，不宜于并网运行，且办理入网手续难度较大，故设计为离网型风电系统，采用交——直——交电源输出方式。由风机控制器和电源逆变器完成风机的启/停，蓄电池自动充放电、自动对风、过速偏航、逆变输出等功能，今后根据规模发展需要，可增加并网电源控制器实现并网发电的功能。
4.4 系统优化。为确保风机的可靠、优化运行并节省投资，并结合本地风能条件下，发电机一般输出电量比额定功率小的实际情况，大胆创新，自行设计了风机集群控制保护系统。将单机控制方式改为三机联合控制，对9台风机进行了编组控制，仅蓄电池部分就节省2/3的投资。并配置了先进的触摸屏电力智能监控系统，确保对每块蓄电池的保护。同时对风速仪脉冲信号的分配共享，不仅简化了风速仪的安装装置，而且美化了工程整体环境。PLC、通讯接口等的配置，为系统远程监控的实施预留了空间。
4.5 防雷与接地。因风机安放在地势较高位置，易于发生雷击事故，为此风机按照规范要求增设了防雷装置，将塔架及基础与接地极可靠连接。同时为保证控制设备可靠运行减少干扰，设置了专用系统接地装置，设备外壳及逆变电源零线均进行了接地处理。
4.6 维护维修。系统电源蓄电池、控制器、逆变器等均需进行保温、防晒、防雨、防潮保护，所以新建了电源设备室，以利于集中监控和统一管理。室内设备设前后检修通道，控制柜设置状态指示灯和触摸屏等，同时风机立杆地面处设置检修孔，以便于检修和观察电缆情况。
5. 工程经验
通过本集群式风电系统的设计和工程的具体实施，我认为风电项目设计建设时应把握好以下几个环节：
(1)项目设计阶段应深入实际调查场地风能条件，仔细考察生产厂家，挑选实力强、质量好的厂家产品。
(2)详细了解质询产品性能，包括控制方式、显示、操作程序等。如：对风、偏航、解缆、电压、充放电等功能的实现方式、方法，并应将具体设计性能要求写入采购合同备查。
(3)配套相应的风速、风向观测装置。没有调查资料和环境技术条件，就不可能对潜在的风电场的开发潜力进行客观评估，容易发生盲目性，妨碍风电的科学发展。因此，要合理评估并合理利用本地风力资源，资料的收集和分析十分重要。
(4)工程所用设备体积小、易携带，且电源一旦破坏，会造成风机失控并出现损坏、短路等事故，设计时应适当考虑增加防盗功能。
(5)风机用户和管理人员，要努力学习有关小型风机专业技术，掌握小型风力发电机的构造原理和正确的使用与保养方法，并不断积累使用经验。
6. 结束语
随着谭庄水库集群式风能发电项目的建成，其美观的风机外形，错落有致的排列，已经成为谭庄水库的又一亮丽风景。不仅为库区周边环境的进一步开发建设提供了有力支持，并且大部分取代了现有主变的功能，仅降耗一项年节省开支近5万元。另外，坝区照明、抽水蓄能、绿化灌溉等风电的开发利用，对于本地区风电的发展利用也会有积极的推动作用。
【摘 要】结合具体风力发电项目，在小功率集群式风电系统集成设计、优化和实施方面进行了大胆探索和研究，并依据系统应用反馈信息，对类似工程的设计建设过程中应当注意的问题和需要采取的措施阐明了自己观点。
【关键词】小功率；风力发电；集群式；设计；优化
Small power gathers group of type breeze electricity system to design and studies
Du Dai-jun
(Hydraulic Engineering Parent Corporation of Liaocheng City Liaocheng Shandong 252000)
【Abstract】Combine concrete wind power project, gather a group of type breeze in the small power electricity the system integration design, excellent turn and carried out aspect to carry on brave investigate and research, and according to system application feedback information, to process of the design construction that is similar to engineering should the problem and measure that need to be adopted noticing clarified oneself's standpoint.
【Key words】Small power Wind power Gather group of type Design Excellent
1. 概述
在全球能源紧张、注重环保建设节约型社会的今天，提高能源利用效率和发展可再生能源已成为无可争议的可持续发展能源的两个重要方面。权威专家指出，风能、太阳能等可再生能源是从根本上解决能源问题的主要途径之一。国内外风电场多为大功率风机，而10千瓦以下风机又多为单机运行设计，小型风机的集群式优化设计研究较少。本课题结合工程建设实际需求，经认真分析设计，我们设计实施了谭庄水库30千瓦集群式风力发电项目，不仅取得良好的运行效果，也为小功率风机群的系统集成设计和应用作出了有益的创新和研究。
2. 立项缘由
谭庄水库位于山东省聊城市南部，库区占地2200亩，总库容813万立方米，距市区5公里，地理位置优越，交通便利。是为保证“江北水城”水源安全，提升水城环境品质，解决因东昌湖从二干渠引水沉沙造成城区南部生态环境恶化问题而兴建的。其中出库泵站主变利用率低、运行费用大的现状，急需新的供电电源。另外随着库区环境的逐步建设和城市规划的顺利实施，必将成为一所集供水、休闲、游乐功能于一体的综合性旅游景区，而风电以其独有的环保、节能、美观的特点，结合先进的控制技术，可实现景观和实用的完美结合。
3. 可行性分析
3.1 风能资源的特点。(1)取之不尽，用之不竭。(2)分布广泛，利用方便：如果将10米高处的风能密度大于150-200w，为有利用价值的地区，则全世界约三分之二的地区可达此标准。(3)不污染环境，不破坏生态，为清洁安全的能源。(4)周而复始，可以再生：风力在自然界中可以不断生成并有规律的得到补充。(5)不稳定性：风的瞬时变动、日变化，季节变化以至年变化都十分明显。(6)受地形影响大，地区差差异著：风力的局部地形差异明显，即使在同一地区，地形下的风力条件往往处于不利位置。
3.2 风力资源分析。聊城市地处山东省西部，北纬35°47'～37°03′，东经115°16′～116°30′，地势平坦，海拔高度27.5～49.0米，属于温带季风气候区，具有显著的季节变化和季风气候特征。据统计聊城市全年平均风速为3.4米/秒，风能密度在50～150W之间，属风能可开发利用区。月平均风速随季节的变化规律是：春季风速较大，4月份月平均风速最大，为4.5米/秒；夏季风速较小，8月份月平均风速为2.5米/秒，但在局地出现强对流天气时，也能出现短时大风。全年最多风向为南风、偏南风，出现频率为44%，又以春季出现的频率最高；其次为北风、偏北风，出现频率为30%，冬季出现次数较多；东、西风在全年出现次数较少。
另外，水库围坝为碾压式均质土坝，设计坝高8.17米，北坝段周围地势开阔，周围没有挡风建筑物及防护林带，加之风机立杆高度，风力条件较好。
4. 工程设计
4.1 工程选址。风机安装位置的选择对于整个风电系统的运行成功与否至关重要，应充分考虑风速、风向、高度等地形影响，以及紊流、极强风、雷击、沙尘等气象因素，并综合景观效果等综合因素考虑，将风机位置定为出库泵站以西320米范围内，坝顶安装，W形单排错落分布。
4.2 风机选择。根据本地年平均风速3.4米/秒，平均有效风能密度l00W／m2以上的风能条件，选择了适于风力资源较丰富地区使用的3~5千瓦小型风机。以便充分利用当地的风力资源，最大限度地发挥风力发电机的效率，取得较高的经济效益。考虑景观需求，选用了自动对风，自动保护运行的新型水平轴风机产品，并采用锥度杆安装方式。
4.3 控制方式。由于风机功率较小，属小型风机群系统，不宜于并网运行，且办理入网手续难度较大，故设计为离网型风电系统，采用交——直——交电源输出方式。由风机控制器和电源逆变器完成风机的启/停，蓄电池自动充放电、自动对风、过速偏航、逆变输出等功能，今后根据规模发展需要，可增加并网电源控制器实现并网发电的功能。
4.4 系统优化。为确保风机的可靠、优化运行并节省投资，并结合本地风能条件下，发电机一般输出电量比额定功率小的实际情况，大胆创新，自行设计了风机集群控制保护系统。将单机控制方式改为三机联合控制，对9台风机进行了编组控制，仅蓄电池部分就节省2/3的投资。并配置了先进的触摸屏电力智能监控系统，确保对每块蓄电池的保护。同时对风速仪脉冲信号的分配共享，不仅简化了风速仪的安装装置，而且美化了工程整体环境。PLC、通讯接口等的配置，为系统远程监控的实施预留了空间。
4.5 防雷与接地。因风机安放在地势较高位置，易于发生雷击事故，为此风机按照规范要求增设了防雷装置，将塔架及基础与接地极可靠连接。同时为保证控制设备可靠运行减少干扰，设置了专用系统接地装置，设备外壳及逆变电源零线均进行了接地处理。
4.6 维护维修。系统电源蓄电池、控制器、逆变器等均需进行保温、防晒、防雨、防潮保护，所以新建了电源设备室，以利于集中监控和统一管理。室内设备设前后检修通道，控制柜设置状态指示灯和触摸屏等，同时风机立杆地面处设置检修孔，以便于检修和观察电缆情况。
5. 工程经验
通过本集群式风电系统的设计和工程的具体实施，我认为风电项目设计建设时应把握好以下几个环节：
(1)项目设计阶段应深入实际调查场地风能条件，仔细考察生产厂家，挑选实力强、质量好的厂家产品。
(2)详细了解质询产品性能，包括控制方式、显示、操作程序等。如：对风、偏航、解缆、电压、充放电等功能的实现方式、方法，并应将具体设计性能要求写入采购合同备查。
(3)配套相应的风速、风向观测装置。没有调查资料和环境技术条件，就不可能对潜在的风电场的开发潜力进行客观评估，容易发生盲目性，妨碍风电的科学发展。因此，要合理评估并合理利用本地风力资源，资料的收集和分析十分重要。
(4)工程所用设备体积小、易携带，且电源一旦破坏，会造成风机失控并出现损坏、短路等事故，设计时应适当考虑增加防盗功能。
(5)风机用户和管理人员，要努力学习有关小型风机专业技术，掌握小型风力发电机的构造原理和正确的使用与保养方法，并不断积累使用经验。
6. 结束语
随着谭庄水库集群式风能发电项目的建成，其美观的风机外形，错落有致的排列，已经成为谭庄水库的又一亮丽风景。不仅为库区周边环境的进一步开发建设提供了有力支持，并且大部分取代了现有主变的功能，仅降耗一项年节省开支近5万元。另外，坝区照明、抽水蓄能、绿化灌溉等风电的开发利用，对于本地区风电的发展利用也会有积极的推动作用。