高塔架風電機組技術(shù)調(diào)研報告及應(yīng)用案例

高塔架風電機組技術(shù)調(diào)研報告及應(yīng)用案例調(diào)研背景國家能源局的數(shù)據(jù)顯示，2017年1-10月，全國新增風電并網(wǎng)容量1055萬千瓦。從區(qū)域分布來看，新增超過50萬千瓦的省份包括河北（61）、山西（73）、山東（148）、江蘇（74）、江西（52）河南（72）、山西（61）、青海（109）、云南（52）。隨著對中東部低風速區(qū)域風資源特性的認知層層深入，以及風能資源評估技術(shù)的飛速發(fā)展，全國風資源可開發(fā)利用潛力不斷升級。權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，低風速風力發(fā)電機組技術(shù)發(fā)展開拓了巨大的風電開發(fā)空間，增加可開發(fā)面積61萬平方米，約7億千瓦容量。我國中東南部19個?。▍^(qū)、市）風能資源開發(fā)量由原來的3億千瓦增至10億千瓦。圖119?。▍^(qū)、市）新增低風速區(qū)風能資源潛力圖（數(shù)據(jù)來源：國家氣候中心）然而低風速開發(fā)并非一路坦途。風速不斷下探、可開發(fā)資源有限、土地環(huán)保壓力大、建設(shè)周期長、居民區(qū)距離限制等現(xiàn)實情況，要求低風速風電場開發(fā)更加精細化和定制化。如何保證低風速地區(qū)風電開發(fā)的收益，成為行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。從風資源角度來說，風速在空中水平和（或）垂直距離上會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象在大氣學中稱為風切變。在風電行業(yè)，風切變通常用于表征風速在垂直方向的變化速率。圖2給出了100m高度處風速為5.0m/s時，不同高度在不同風切變下的風速變化情況?？梢钥吹礁咔凶兿?，高度增加會顯著提升風速。圖2不同高度在不同風切變下的風速變化圖以0.3的風切變?yōu)槔?，塔架高度?00m增加到140m，年平均風速將從5.0m/s增加到5.53m/s,某131-2.2機組的年等效滿發(fā)小時數(shù)可從1991h增加到2396h，提升了20.34%。表1給出了該機組在不同風切變、不同塔架高度下的發(fā)電量增量。數(shù)據(jù)顯示，風切變越大、塔架高度越高，發(fā)電量增量越大。表1某131-2.2機組在不同風切變不同塔架高度下的發(fā)電量增加量（基準為100m高度年平均風速5.0m/s）產(chǎn)生風切變的原因主要有兩大類，一類是大氣運動本身的變化；另一類則是地理、環(huán)境因素。一般來說，山區(qū)風切變低；平原風切變相對較高，尤其在晚上。太陽落山后，地表迅速冷卻，近地層大氣呈現(xiàn)出上暖下冷的穩(wěn)定態(tài)勢。同時氣流主要是水平運動，因此會出現(xiàn)上層風速大，下層風速小的現(xiàn)象。在山區(qū)，由于山體阻擋了氣流運動，本來平穩(wěn)的氣流被擾動，上下層間的風速差距縮小。因此高切變一般出現(xiàn)在平原地區(qū)，例如中東部平原、東北平原等。圖3左邊是我國80m高度平均風速分布，右邊是我國100m高度平均風速分布；綠色表示年平均風速超過6m/s的地區(qū)，藍色表示年平均風速在5-6m/s之間的地區(qū)。對比兩圖可發(fā)現(xiàn)，中東部平原在80m高度的年平均風速僅5-6m/s，但在100m高度，由于平原地區(qū)風資源的高切變特性，大部分地區(qū)的年平均風速均超過了6m/s。（數(shù)值模擬風速值與實際會有偏差，需要根據(jù)真實數(shù)據(jù)進行訂正。）圖3全國80m（左）和100m（右）年平均風速我國處于西風帶，中東部平原受山西高原和秦巴山區(qū)的阻擋，以及青藏高原的部分影響，其風能資源低于只受大興安嶺阻擋的東北平原，但高于地處青藏高原下游的長江以南地區(qū)。我國江蘇、安徽、河南、山東、湖北、河北等低風速區(qū)域均有豐富的高切變風資源。如何高效開發(fā)利用這類低風速、高切變的風資源，是行業(yè)正面臨的一大挑戰(zhàn)，而高塔正是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。在風切變較大的地區(qū)，通過增加塔架高度，風輪被托舉到風速更高的區(qū)域，從而捕獲更多的風能，提高機組發(fā)電量。因此使用高塔架技術(shù)將是提高風場經(jīng)濟效益的有效解決方案。國內(nèi)外現(xiàn)狀國外高塔架風力發(fā)電機組的技術(shù)研究和應(yīng)用相對較早，從120米至160米的高塔都已有批量商業(yè)運行業(yè)績，全球范圍內(nèi)已安裝上萬臺100m以上高塔架風力發(fā)電機組。近日在德國斯圖加特完成吊裝的178米風力發(fā)電機組，擁有當前全球最高的風電機組塔架。圖4全球最高的178m風力發(fā)電機組高塔架風力發(fā)電機組在國內(nèi)的研究起步相對較晚，但始終是行業(yè)的熱點。各風力發(fā)電機組設(shè)備廠商對高塔架技術(shù)的研究也持續(xù)向前，更有一些企業(yè)的高塔機組已開始運行。截至目前，國內(nèi)并網(wǎng)運行的最高輪轂高度為140米，采用全鋼柔塔機組，機組位于河南省蘭考縣。圖5國內(nèi)最高的140m全鋼柔塔機組（2017年5月29日并網(wǎng)運行）高塔架分類及技術(shù)難點能顯著提升風電機組經(jīng)濟效益的高塔技術(shù)，絕非僅僅得益于塔架高度的簡單提升，而是涉及到機組控制策略、運輸、安裝、施工等一系列技術(shù)問題的整體工程解決方案。因此，在增加塔架高度的同時，還需要一系列核心技術(shù)手段來解決塔架增高帶來的新挑戰(zhàn)。目前我國高塔架機組主要有全鋼柔塔和鋼混塔兩種技術(shù)路線。一）全鋼柔塔及技術(shù)難點全鋼柔塔可通俗解釋為：塔架的一階固有頻率與機組風輪旋轉(zhuǎn)頻率范圍有重合。而對于傳統(tǒng)的剛性塔架，這兩者沒有重合。因此柔性是相對于剛性而言，柔性塔架的材料、工藝、運輸、吊裝和傳統(tǒng)剛性塔架并無實質(zhì)區(qū)別。由于塔架一階固有頻率和風輪轉(zhuǎn)速頻率相交，柔塔需要重點解決的就是在相交點對應(yīng)轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的塔架共振問題。目前常見的柔塔控制策略是采用動態(tài)穿越來應(yīng)對，如圖6所示，當機組運行轉(zhuǎn)速接近共振轉(zhuǎn)速時，共振穿越策略會讓機組快速地穿越到其他轉(zhuǎn)速，使機組幾乎很難在共振轉(zhuǎn)速附近運行，從而有效避開塔架共振問題。部分廠商還會在共振穿越策略避共振的基礎(chǔ)上，酌情考慮采用擺錘或水箱等方式對塔架進行加阻，從而進一步削弱機組的塔架共振現(xiàn)象。圖6柔塔共振穿越策略但是風輪的轉(zhuǎn)速一旦主動跳過塔架固有頻率附近的區(qū)間就意味著其控制目標不再是風能的最優(yōu)捕獲，會帶來一定的發(fā)電量損失。針對該問題國內(nèi)廠家開展了大量的研究，通過轉(zhuǎn)速拒止區(qū)、拓展低轉(zhuǎn)速運行區(qū)間、加強塔架和葉片生產(chǎn)和裝配質(zhì)量控制、采用氣動阻尼等方式降低振動影響，減少發(fā)電量損失。另外，有的廠家采用了更為新穎的控制策略，在新的控制策略中，動態(tài)穿越不再作為一個控制手段，僅僅作為防止塔架振動的多重軟硬件保護策略中的一種，很少會被觸發(fā)，也就意味著幾乎不損失發(fā)電量。這種新的控制策略主要通過轉(zhuǎn)子不平衡補償和主動阻尼注入解決塔架共振問題。風輪的不平衡載荷是以風輪旋轉(zhuǎn)的周期作用到塔架結(jié)構(gòu)上，若這樣頻率的激勵和塔架的固有頻率發(fā)生相交，就可能導(dǎo)致塔架結(jié)構(gòu)共振。轉(zhuǎn)子不平衡補償控制技術(shù)能夠消除這種不平衡載荷，將外部的這種激勵輸入降到最低。這種技術(shù)最初在大葉輪的低風速機組上有過成熟有效的應(yīng)用，葉輪越大帶來的不平衡載荷的影響就越大，柔性塔架把這種不平衡載荷的外部激勵進一步放大。不平衡補償技術(shù)有效地解決了這個問題，使柔性塔架控制技術(shù)快速發(fā)展。主動阻尼注入就是用軟件控制變槳策略，實現(xiàn)實際上的阻尼效果進一步抑制塔架可能的振動狀態(tài)，將振動的初始狀態(tài)遏制在搖籃里。從而有效抑制產(chǎn)品塔架振動的外部激勵。同時再通過變槳控制形成強大的氣動結(jié)構(gòu)阻尼作用，本質(zhì)上就是讓動態(tài)穿越技術(shù)不再作為常態(tài)的控制方法而蛻變成保護策略的一種。這是風力發(fā)電機組控制技術(shù)持續(xù)進步給全鋼柔塔技術(shù)帶來的突破。全鋼柔塔需要解決的另一個技術(shù)難點是控制塔頂擺幅。風電機組可以簡化為一個固定端在大地的單臂梁，高度越高，相當于梁的長度越長，則自由端的擺幅將越大。因此，在同樣情況下，相比傳統(tǒng)較低的塔架，高塔架擺幅相對較高。此問題可通過塔架加阻，及由控制系統(tǒng)調(diào)整葉片氣動加阻等方式解決，這也是目前廠商采用較多的方式。高塔架在安裝和運行過程中還可能遇到渦激振動問題。任何非流線型物體，在一定的穩(wěn)定流速下，都會在物體兩側(cè)周期性交替的產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的渦旋，即邊界層脫離。這種交替發(fā)生的渦旋會在筒體上產(chǎn)生橫流向周期性變化的脈動壓力，脈動壓力的頻率如果和結(jié)構(gòu)固有頻率接近，就會引發(fā)筒體橫向的周期性振動，這種規(guī)律性的柱狀體振動反過來又會改變其尾流的渦流脫落形態(tài)，惡化表面漩渦的脫離。這種流體-結(jié)構(gòu)物相互作用的現(xiàn)象，被稱作“渦激振動”。圖7渦激振動示意圖解決高塔架吊裝過程中的渦激振動問題，目前采用較多的方式是在吊裝階段給上段的塔架附加擾流條工裝，破渦止振，也可通過塔架在安裝階段安裝阻尼器工裝或變槳氣動加阻的方式抑制吊裝階段和機組上電前的渦激振動問題。圖8附加擾流條工裝的高塔架吊裝方案通過以上分析可以看出，全鋼柔塔的主要技術(shù)挑戰(zhàn)并不在塔架本身，其生產(chǎn)、運輸過程與傳統(tǒng)塔架并無區(qū)別。風力發(fā)電機組整體控制水平的提高才是全鋼柔塔應(yīng)用的關(guān)鍵。二）鋼混塔及技術(shù)難點鋼混塔一般指鋼材和混凝土共同構(gòu)成的塔架，其下部是混凝土段上部是鋼塔段，因此鋼混塔更像是提升了基礎(chǔ)高度的傳統(tǒng)鋼塔。就整機控制而言，鋼混塔的控制和傳統(tǒng)鋼塔差異不大。2013年，90米高鋼混塔架機組在達坂城風電場并網(wǎng)發(fā)電，至今運行效果良好，為后續(xù)鋼混塔在高塔架方面的應(yīng)用打下了良好基礎(chǔ)。近日，在鹽城大豐，140米鋼混塔也已完成吊裝。圖990米高鋼混塔架機組（2013年5月并網(wǎng)發(fā)電）圖10140m高鋼混塔機組（已完成吊裝）鋼混塔架的更多技術(shù)難點不僅在于如何在國外成熟的鋼混塔架技術(shù)路線的基礎(chǔ)上自主研發(fā)適用于國內(nèi)風電場的鋼混塔架設(shè)計，可以系統(tǒng)地看到它還包括：與項目執(zhí)行相關(guān)的鋼模具設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、供應(yīng)鏈體系開發(fā)等問題。國內(nèi)針對鋼混塔架，開展了大量的研究，進行了室內(nèi)縮比結(jié)構(gòu)試驗及樣機驗證。模具設(shè)計當采用項目機位點進行現(xiàn)場澆筑方式生產(chǎn)時，鋼模具應(yīng)設(shè)計具有足夠強度、穩(wěn)定性的內(nèi)模內(nèi)撐桁架系統(tǒng)；采用預(yù)制方法進行鋼混塔架項目建設(shè)時，應(yīng)主要控制預(yù)制節(jié)段精度問題；模具設(shè)計理念、使用方便與否將直接影響混凝土塔筒預(yù)制效率，貼合項目的模具設(shè)計也是一個企業(yè)研發(fā)能力的體現(xiàn)，且大規(guī)模的項目開發(fā)必將需求更先進的模具工藝。結(jié)構(gòu)設(shè)計如何設(shè)計適合國內(nèi)風電場建設(shè)周期、具有優(yōu)異阻尼特性且振動模態(tài)的鋼混塔架設(shè)計成為整個鋼混塔架結(jié)構(gòu)研發(fā)的重點。通過不斷迭代塔架荷載，優(yōu)化鋼塔筒段與混凝土段比例，確定設(shè)計方案，均需多次反復(fù)才可實現(xiàn)；同時需要將土建行業(yè)成熟的預(yù)應(yīng)力技術(shù)引入至風電塔架中，是在國內(nèi)的首次嘗試；如何參照國內(nèi)外行業(yè)規(guī)范設(shè)計出滿足疲勞荷載預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)、鋼混塔架連接位置強度設(shè)計、基礎(chǔ)與塔架連接的設(shè)計理念都需要在結(jié)構(gòu)設(shè)計中體現(xiàn)。自主研發(fā)路線往往需要較長時間的仿真分析及模型試驗，在經(jīng)樣機監(jiān)測可靠后推向市場的產(chǎn)品才稱得上成熟。供應(yīng)鏈體系開發(fā)鋼混塔架涉及專業(yè)較廣，且并非傳統(tǒng)的水平向、豎直受力類橋梁結(jié)構(gòu)，無論從需求材料、工藝開發(fā)等均應(yīng)滿足電力設(shè)計行業(yè)標準，開發(fā)一套完備的供應(yīng)鏈體系，需要較長時間。為解決混凝土疲勞問題，將建筑橋梁的預(yù)應(yīng)力技術(shù)運用到鋼混塔架；為解決運輸問題，設(shè)計要考慮分段分片設(shè)計和運輸保護。國內(nèi)采用的鋼混塔架項目多為預(yù)制式生產(chǎn)，在今后看來，如何將混凝土塔筒改為集約工廠化生產(chǎn)，使得產(chǎn)品更具有運輸便利性；如何將預(yù)制拼裝方式采用更先進的工藝拼裝，均是今后將考慮解決的問題。市場調(diào)研顯示，目前已有廠家通過預(yù)制工藝革新，探索出了一條更具有競爭力的鋼混塔架解決方案。綜上所述，高塔技術(shù)并非簡單的塔架高度增加，其本質(zhì)是通過先進技術(shù)手段解決塔架增高帶來的新挑戰(zhàn)。四高塔架技術(shù)應(yīng)用案例目前國內(nèi)高塔架技術(shù)已相對成熟，有效地拓展了風電的應(yīng)用場景為風電行業(yè)的發(fā)展注入了新的活力。為了解目前國內(nèi)高塔架機組的運行情況，風能專委會針對2017年12月31日前的應(yīng)用案例進行了專項調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示我國高塔架技術(shù)已得到批量應(yīng)用，具體情況如下。一）140米輪轂高度并網(wǎng)案例河南蘭考風電場總裝機容量11MW，采用5臺遠景能源（江蘇）有限公司（以下簡稱遠景能源）EN-121/2.2MW機組，其中1臺塔架高度140m，為全鋼柔塔。2017年5月29并網(wǎng)。至2017年11月3日為止，運行158天，平均發(fā)電量135萬kWh。江蘇江陰分散式風電場作為全國采用140米高塔架的遠景能源批量分散式項目，一共規(guī)劃了三期，一期江陰臨港分布式項目為一臺EN-131/2.2MW中壓風力發(fā)電機組（風力發(fā)電機組出口電壓10kV，直接接入10kV電網(wǎng)，不需要箱變），于2017年12月8日并網(wǎng)發(fā)電，截至12月31日共并網(wǎng)四臺EN-131/2.2MW140米塔筒風電機組。值得一提的是，江陰分散式項目并未專門豎立測風塔，但是因為地處平原，風資源情況相對簡單，通過附近的已有測風塔數(shù)據(jù)以及中尺度數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以得到比較準確的風資源情況。經(jīng)過分析，該分散式風場的平均風速在100米高度約為5.17m/s,在140米高度平均風速能夠達到5.69m/s，剪切高達0.283，是一個典型的高剪切風場。如果輪轂高度只有100米，這個風場的年等效滿發(fā)小時大約只有2100h，但是將輪轂高度抬高到140米，該風場的年等效滿發(fā)小時能夠達到2500h以上。突破了內(nèi)陸城市周邊地區(qū)不可能開發(fā)風電的認識觀念，比鄰鱗次櫛比的江陰熱電廠開發(fā)分散式風電，為工業(yè)大用戶提供綠色電力。圖11江陰分散式項目二）120米輪轂高度并網(wǎng)案例山西廣靈風電場采用了一臺遠景能源EN-121/2.2MW機組，塔架高度120m，為全鋼柔塔。2016年6月并網(wǎng)，統(tǒng)計2016年7月29日至2017年12月29日，共發(fā)電994萬kWh。江蘇弶港風電場總裝機容量99MW，采用45臺遠景能源EN-121/2.2MW機組，塔架高度120m，為全鋼柔塔。自2016年11月29日至2017年1月13日，所有機組陸續(xù)完成了并網(wǎng)。至2017年11月4日為止，全場每臺機組平均運行336天，平均發(fā)電量523.5萬kWh。江蘇濱海風電場總裝機容量92.4MW，采用42臺遠景能源EN-121/2.2MW機組，塔架高度120m，為全鋼柔塔。自2016年11月15日至2017年2月24日，所有機組陸續(xù)完成了并網(wǎng)。至2017年11月8日為止，全場每臺機組平均運行333天，平均發(fā)電量472.1萬kWh。河南蘭考風電場總裝機容量11MW，采用5臺遠景能源EN-121/2.2MW機組，其中4臺塔架高度120m。該4臺機組自2017年5月29日至2017年6月4日，陸續(xù)完成了并網(wǎng)，至2017年11月3日為止，平均運行155天，平均發(fā)電量132萬kWh。安徽靈璧風電場總裝機容量35.2MW，采用遠景能源EN-121/2.2MW機組，其中2臺采用120m高度塔架，為全鋼柔塔。自2017年6月1日并網(wǎng)，至2016年12月29日，這兩臺高塔架機組平均運行213天，平均發(fā)電量338.5萬kWh。新疆煙墩西風電場采用了1臺金風科技GW121/2500機組，塔架高度120m，為全鋼柔塔。2015年2月12日完成了并網(wǎng)。至2017年11月3日為止，運行995天，發(fā)電量1281.5萬kWh。泰國Chaiyaphum風電場高塔架技術(shù)不僅在國內(nèi)得到應(yīng)用，在國外也得到了應(yīng)用。EGCO泰國Chaiyaphum風電場采用32臺金風科技GW121/2500機組，總裝機容量80MW，塔架高度120m，為全鋼柔塔。自2016年10月21日至2016年11月9日，所有機組陸續(xù)完成了并網(wǎng)。至2017年11月3日為止，全場每臺機組平均運行367天，平均發(fā)電量345.2萬kWh。三）140米輪轂高度吊裝案例河南內(nèi)黃風電場采用了1臺遠景能源EN-131/2.2MW機組，塔架高度140米為全鋼柔塔，已吊裝完成等待并網(wǎng)。山東李村風電場采用40臺維斯塔斯V110-2.0機組，輪轂高度137米為全鋼柔塔,已完成吊裝等待并網(wǎng)。江蘇邳州風電場采用22臺維斯塔斯V110-2.0機組，輪轂高度137米為全鋼柔塔,已完成吊裝等待并網(wǎng)。江蘇高郵東部風電場采用1臺維斯塔斯V110-2.0機組，輪轂高度137米為全鋼柔塔已完成吊裝等待并網(wǎng)。江蘇天潤大豐試驗風電場金風科技建設(shè)，由5臺海上6MW、陸上3MWs、2.2MW機組組成，其中輪轂高度140m鋼混塔架采用GW115/2200機組已進入機組調(diào)試階段。四）120米輪轂高度吊裝案例1.河北昌黎風電場采用92臺遠景能源EN-121/2.2MW機組，輪轂高度120米為全鋼柔塔，已完成23臺機組吊裝。2.山東鄄城風電場采用75臺遠景能源EN-115/2MW平臺機組，輪轂高度120米為全鋼柔塔，已完成17臺機組吊裝。新疆哈密景峽風電場分別安裝金風科技GW115-2.0MW、中船重工集團海裝風電股份有限公司H102-2.0MW各50臺機組，輪轂高度120米，采用全混凝土塔架，完成吊裝等待并網(wǎng)。德州夏津二期100MW風電場德州夏津二期100MW風電場采用金風科技的50臺GW121/2000機組，其中39臺輪轂高度120m為鋼混塔架，已完成9臺120m鋼混塔架吊裝，正在進行調(diào)試。中廣核蘭陽分散式風電場中廣核蘭考蘭陽分散式風場采用金風科技的5臺GW121/2000MW機組，輪轂高度120m為鋼混塔架，12月31日前完成1臺整機吊裝該項目地處豫東平原西部，100m-120m風切變0.27，屬于高切變區(qū)域°120m平均風速5.5m/s。去年河南、內(nèi)蒙和新疆等地都發(fā)布了推動分散式風電發(fā)展的政策，其中河南省批復(fù)超過2GW的分散式風電分散式發(fā)電不僅能解決河南地區(qū)集中風電場開發(fā)中存在的交通網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，耕地面積大等問題，還能在河南地區(qū)就近接入當?shù)仉娋W(wǎng)進行消納，滿足當?shù)赜秒娦枰?，更顯分散式風電開發(fā)的突出作用。圖12河南蘭考中廣核蘭陽分散式項目（2017年12月）江蘇天潤大豐試驗風電場金風科技建設(shè)，由5臺海上6MW、陸上3MWs、2.2MW機組組成，其中輪轂高度120m鋼混塔架搭載了金風科技GW140/3400已完成吊裝，進入機組調(diào)試階段。墨西哥Dzilam風電場我國高塔架技術(shù)在世界范圍得到了應(yīng)用，據(jù)了解，墨西哥Dzilam風電場采用28臺遠景能源EN-110/2.5MW機組，總?cè)?/p>