第1章 風電場運行與維護概述
1.1 風電場的構成
1．風電場的概念
風電場是在風能資源良好的地域范圍內，統一經營管理的由所有風力發電機組及配套的輸變電設備、建筑設施和運行維護人員等共同組成的集合體，是將多臺風力發電機組按照一定的規則排成陣列，組成風力發電機組群，將捕獲的風能轉化成電能，并通過輸電線路送入電網的場所。
自20世紀70年代以來，隨著世界性能源危機和環境污染日趨嚴重，風電的大規模發展便指日可待，德國、丹麥、西班牙、英國、荷蘭等國在風力發電技術研究和應用上投入了大規模的人力及資金，研制出了高效、可靠的風力發電機。風電場是大規模利用風能的有效方式，20世紀80年代初興起于美國的加利福尼亞州，如今在世界范圍內得到蓬勃發展。
2015年，世界風能協會在上海發布了全球風電發展報告。該報告詳細闡述了2014年的風電發展情況，并預測了未來5年內的全球風電發展。截至2014年年底，全球風電新增裝機容量達52.52GW，全球風電機組累計裝機容量達371.34GW。全球風電年發電量達到7500億kW·h/a，風電占全球電力需求比例為3.4%。風電利用比例高的國家有丹麥、西班牙、葡萄牙、愛爾蘭、德國、烏拉圭。
表1-1為全球風電裝機在各地區的分布，在中國的引領下，亞洲的新增風電裝機容量連續多年超過歐洲和北美洲。到2014年年底，亞洲的累計風電裝機容量也首次超過了歐洲，位居世界第一位。這說明全球風電產業的重心已經從歐洲移到了亞洲。
表1-1 全球風電裝機在各地區的分布
截至2014年年底，風電累計裝機容量排行前10位的國家的累計裝機容量都超過了500萬kW，其裝機容量占全球累計總裝機容量的85.8%。全球累計裝機容量排名前10的國家見表1-2。
表1-2 全球累計裝機容量排名前10的國家
目前，風電場分布遍及全球，最大規模的風電場可達千萬千瓦級，如我國甘肅酒泉的特大型風電項目，酒泉千萬千瓦級風電場如圖1-1所示。
圖1-1 酒泉千萬千瓦級風電場
近年來，近海風能資源的開發進一步加快了大容量風力發電機組的發展。世界上已運行的最大風力發電機組單機容量已達到5MW，而6MW風力發電機組也已研制成功。發展大功率、大容量風力發電機組是今后的一個發展趨勢。
早在1991年，丹麥便建成了世界上第一個商業化運行的海上風電場。2002年年末，世界上第一個大型海上風電場HornsRev在丹麥北海日德蘭半島建成，安裝了80臺VestasV80/2000風力發電機組，總裝機容量為16萬kW。丹麥海上風電場如圖1-2所示。我國第一座大型海上風電場東海大橋風電場處于2009年10月實現并網。我國東海大橋風電場如圖1-3所示。
圖1-2 丹麥海上風電場
圖1-3 東海大橋風電場
我國海上風電建設有序推進，上海、江蘇、山東、河北、浙江、廣東等?。ㄖ陛犑校┑暮Ｉ巷L電規劃已經完成，遼寧、福建、廣西、海南等省（自治區）的海上風電規劃正在完善和制訂。在完成的規劃中，初步確定了43GW的海上風能資源開發潛力，目前已有38個項目、共有16.5GW在開展各項前期工作。到2011年年底，全國海上風電共完成吊裝容量242.5MW。2015年，中國海上風電新增裝機100臺，容量達到360.5MW，同比增長58.4%。其中，潮間帶裝機58臺，容量181.5MW，占海上風電新增裝機總量的50.35%；其余49.65%為近海項目，裝機42臺，容量179MW。截至2015年年底，中國已建成的海上風電項目裝機容量共計1014.68MW。其中，潮間帶累計風電裝機容量達到611.98MW，占海上裝機容量的60.31%，近海風電裝機容量402.7MW，占海上裝機容量的39.69%。
2．風電場的特點
風電場因其特殊的發電特性，具有以下特點：
（1）風力資源具有豐富性。風電場的電能資源來自于風能的轉換。大氣的流動形成了風，風資源取之不盡用之不竭。
（2）風力發電具有環保性。風力發電是朝陽產業、綠色能源，風力發電在減少常規能源消耗的同時，較其他形式發電向大氣排放的污染物為零，對保護大氣環境有積極作用。
（3）風電場選址具有特殊性。為達到較好的經濟效益，應選擇風資源豐富的場址。要求場址所在地年平均風速大于6.0～7.0m/s，風速年變化相對較小，30m高度處的年有效風力時數在6000h以上，風功率密度達到250W/m2以上。
（4）風電場選址具有分散性。由于風力發電機組單機容量小，每一個風電場的風力發電機組數目都很多，所以，風電場的電能生產方式比較分散。若要建一個千萬千瓦級規模的風電場，大致需要上千臺1.5MW的風力發電機組，分布在方圓幾十千米的范圍內。
（5）風力發電機組類型具有多樣性。風力發電機組的類型很多，同步發電機和異步發電機都在其中有應用。隨著風電技術的發展，新增很多特殊設計的機型，如雙饋式風力發電機組、直驅式永磁風力發電機組等。
（6）風電場輸出功率具有不穩定性。風能具有很強的波動性和隨機性，風力發電機組的輸出功率也具有這種特點。為提高機組的功率因數以及提高輸出功率的穩定性，風電設備應進行必要的勵磁和無功補償，增加了風力發電的復雜性。
（7）風力發電機組并網具有復雜性。風力發電機組單機容量低，輸出電壓等級相對低，一般為690V或400V，常需要利用變壓器換至更高的電壓等級。通常要通過電子變流設備對輸出電流進行整流和逆變，以達到滿足電網的頻率和電壓相位，才能并入電網。
3．風電場的構成
風電場一般由風電場電氣部分、風電場建筑設施和風電場組織機構三部分構成。其中，風電場電氣部分由電氣一次系統和電氣二次系統組成。風電場電氣一次系統由風力發電機組、集電系統（包括無功補償裝置）、升壓變電站及場內用電系統組成，主要用于能量生產、變換、分配、傳輸和消耗；風電場電氣二次系統由電氣二次設備如熔斷器、控制開關、繼電器、控制電纜等組成，主要對一次設備如發電機、變壓器、電動機、開關等進行監測、控制、調節和保護。風電場建筑設施包括場內各種土建工程項目，如管理、運行與維護人員辦公、生活建筑及道路等。風電場組織機構是風電場運行與維護的管理部門。
4．風電場的分類
風電場按其所處位置可分為陸地風電場、海上風電場和空中風電場三種類型。其中，陸地風電場和海上風電場發電技術日趨成熟，商業化運營效果顯著。
（1）陸地風電場。陸地風電場一般設在風資源良好的丘陵、山脊或者海邊。陸地風電場的發電技術較成熟，也是本書要介紹的重點部分。
（2）海上風電場。海上風電場位于海洋中。海上的平均風速相對較高，風力發電機組的風能利用率遠遠高于陸地風電場。因此，海上風電場大多采用兆瓦級風力發電機組，但在海上風電場的安裝及維護費用要比陸地風電場高。陸地風電場與海上風電場最根本的區別就是基礎結構，我國的海洋風能資源豐富，具有開發利用風電的良好市場條件和巨大資源潛力，其發展速度較為迅速。
（3）空中風電場。大約在4500m以上的高空中存在一種穩定的高速氣流，若能用風力發電機組加以利用會獲得很高的風功率。高空風力發電機即氣囊式發電裝置的外觀像飛機機翼下的渦輪發動機，發電機的外層是圓筒狀的氣囊，其中充滿了比空氣輕很多的氦氣，這樣它就可以懸浮在空中，因此也被稱為氣囊式發電機。
氣囊式發電機的發電部件和地面風力發電機一樣，主要是一個裝有數個葉片是渦輪。當高空狂風推著渦輪轉動時，就能產生電能。有一根細長的電線與發電機相連，電能順著電線傳輸到地面。與固定在地面的風力發電機組相比，這種設計令高空風力發電機能夠移動，拽著電線的一頭，就像收風箏那樣，便可輕松地把發電機拉到地面上。然后放掉氣囊中的氦氣，把氣囊折疊起來，發電機就可以很方便地被運送到其他急需的地方?？梢?，空中氣囊式發電裝置具有便捷、穩定、環保等特點。
在空中風電場這一領域仍面臨著很多的障礙和挑戰，對于空中風電場的技術研發還是處于初級階段，有待深入探索。