构成与管理：风电场的电气、组织与运维

1.风电场的概念

风电场是在风能资源良好的地域范围内，统一经营管理的由所有风力发电机组及配套的输变电设备、建筑设施和运行维护人员等共同组成的集合体，是将多台风力发电机组按照一定的规则排成阵列，组成风力发电机组群，将捕获的风能转化成电能，并通过输电线路送入电网的场所。

自20世纪70年代以来，随着世界性能源危机和环境污染日趋严重，风电的大规模发展便指日可待，德国、丹麦、西班牙、英国、荷兰等国在风力发电技术研究和应用上投入了大规模的人力及资金，研制出了高效、可靠的风力发电机。风电场是大规模利用风能的有效方式，20世纪80年代初兴起于美国的加利福尼亚州，如今在世界范围内得到蓬勃发展。

2015年，世界风能协会在上海发布了全球风电发展报告。该报告详细阐述了2014年的风电发展情况，并预测了未来5年内的全球风电发展。截至2014年年底，全球风电新增装机容量达52.52GW，全球风电机组累计装机容量达371.34GW。全球风电年发电量达到7500亿kW·h/a，风电占全球电力需求比例为3.4%。风电利用比例高的国家有丹麦、西班牙、葡萄牙、爱尔兰、德国、乌拉圭。

表1-1为全球风电装机在各地区的分布，在中国的引领下，亚洲的新增风电装机容量连续多年超过欧洲和北美洲。到2014年年底，亚洲的累计风电装机容量也首次超过了欧洲，位居世界第一位。这说明全球风电产业的重心已经从欧洲移到了亚洲。

表1-1　全球风电装机在各地区的分布

截至2014年年底，风电累计装机容量排行前10位的国家的累计装机容量都超过了500万kW，其装机容量占全球累计总装机容量的85.8%。全球累计装机容量排名前10的国家见表1-2。

表1-2　全球累计装机容量排名前10的国家

目前，风电场分布遍及全球，最大规模的风电场可达千万千瓦级，如我国甘肃酒泉的特大型风电项目，酒泉千万千瓦级风电场如图1-1所示。

图1-1　酒泉千万千瓦级风电场

近年来，近海风能资源的开发进一步加快了大容量风力发电机组的发展。世界上已运行的最大风力发电机组单机容量已达到5MW，而6MW风力发电机组也已研制成功。发展大功率、大容量风力发电机组是今后的一个发展趋势。

早在1991年，丹麦便建成了世界上第一个商业化运行的海上风电场。2002年年末，世界上第一个大型海上风电场HornsRev在丹麦北海日德兰半岛建成，安装了80台VestasV80/2000风力发电机组，总装机容量为16万kW。丹麦海上风电场如图1-2所示。我国第一座大型海上风电场东海大桥风电场处于2009年10月实现并网。我国东海大桥风电场如图1-3所示。

图1-2　丹麦海上风电场

图1-3　东海大桥风电场(www.xing528.com)

我国海上风电建设有序推进，上海、江苏、山东、河北、浙江、广东等省（直辖市）的海上风电规划已经完成，辽宁、福建、广西、海南等省（自治区）的海上风电规划正在完善和制订。在完成的规划中，初步确定了43GW的海上风能资源开发潜力，目前已有38个项目、共有16.5GW在开展各项前期工作。到2011年年底，全国海上风电共完成吊装容量242.5MW。2015年，中国海上风电新增装机100台，容量达到360.5MW，同比增长58.4%。其中，潮间带装机58台，容量181.5MW，占海上风电新增装机总量的50.35%；其余49.65%为近海项目，装机42台，容量179MW。截至2015年年底，中国已建成的海上风电项目装机容量共计1014.68MW。其中，潮间带累计风电装机容量达到611.98MW，占海上装机容量的60.31%，近海风电装机容量402.7MW，占海上装机容量的39.69%。

2.风电场的特点

风电场因其特殊的发电特性，具有以下特点：

（1）风力资源具有丰富性。风电场的电能资源来自于风能的转换。大气的流动形成了风，风资源取之不尽用之不竭。

（2）风力发电具有环保性。风力发电是朝阳产业、绿色能源，风力发电在减少常规能源消耗的同时，较其他形式发电向大气排放的污染物为零，对保护大气环境有积极作用。

（3）风电场选址具有特殊性。为达到较好的经济效益，应选择风资源丰富的场址。要求场址所在地年平均风速大于6.0～7.0m/s，风速年变化相对较小，30m高度处的年有效风力时数在6000h以上，风功率密度达到250W/m2以上。

（4）风电场选址具有分散性。由于风力发电机组单机容量小，每一个风电场的风力发电机组数目都很多，所以，风电场的电能生产方式比较分散。若要建一个千万千瓦级规模的风电场，大致需要上千台1.5MW的风力发电机组，分布在方圆几十千米的范围内。

（5）风力发电机组类型具有多样性。风力发电机组的类型很多，同步发电机和异步发电机都在其中有应用。随着风电技术的发展，新增很多特殊设计的机型，如双馈式风力发电机组、直驱式永磁风力发电机组等。

（6）风电场输出功率具有不稳定性。风能具有很强的波动性和随机性，风力发电机组的输出功率也具有这种特点。为提高机组的功率因数以及提高输出功率的稳定性，风电设备应进行必要的励磁和无功补偿，增加了风力发电的复杂性。

（7）风力发电机组并网具有复杂性。风力发电机组单机容量低，输出电压等级相对低，一般为690V或400V，常需要利用变压器换至更高的电压等级。通常要通过电子变流设备对输出电流进行整流和逆变，以达到满足电网的频率和电压相位，才能并入电网。

3.风电场的构成

风电场一般由风电场电气部分、风电场建筑设施和风电场组织机构三部分构成。其中，风电场电气部分由电气一次系统和电气二次系统组成。风电场电气一次系统由风力发电机组、集电系统（包括无功补偿装置）、升压变电站及场内用电系统组成，主要用于能量生产、变换、分配、传输和消耗；风电场电气二次系统由电气二次设备如熔断器、控制开关、继电器、控制电缆等组成，主要对一次设备如发电机、变压器、电动机、开关等进行监测、控制、调节和保护。风电场建筑设施包括场内各种土建工程项目，如管理、运行与维护人员办公、生活建筑及道路等。风电场组织机构是风电场运行与维护的管理部门。

4.风电场的分类

风电场按其所处位置可分为陆地风电场、海上风电场和空中风电场三种类型。其中，陆地风电场和海上风电场发电技术日趋成熟，商业化运营效果显著。

（1）陆地风电场。陆地风电场一般设在风资源良好的丘陵、山脊或者海边。陆地风电场的发电技术较成熟，也是本书要介绍的重点部分。

（2）海上风电场。海上风电场位于海洋中。海上的平均风速相对较高，风力发电机组的风能利用率远远高于陆地风电场。因此，海上风电场大多采用兆瓦级风力发电机组，但在海上风电场的安装及维护费用要比陆地风电场高。陆地风电场与海上风电场最根本的区别就是基础结构，我国的海洋风能资源丰富，具有开发利用风电的良好市场条件和巨大资源潜力，其发展速度较为迅速。

（3）空中风电场。大约在4500m以上的高空中存在一种稳定的高速气流，若能用风力发电机组加以利用会获得很高的风功率。高空风力发电机即气囊式发电装置的外观像飞机机翼下的涡轮发动机，发电机的外层是圆筒状的气囊，其中充满了比空气轻很多的氦气，这样它就可以悬浮在空中，因此也被称为气囊式发电机。

气囊式发电机的发电部件和地面风力发电机一样，主要是一个装有数个叶片是涡轮。当高空狂风推着涡轮转动时，就能产生电能。有一根细长的电线与发电机相连，电能顺着电线传输到地面。与固定在地面的风力发电机组相比，这种设计令高空风力发电机能够移动，拽着电线的一头，就像收风筝那样，便可轻松地把发电机拉到地面上。然后放掉气囊中的氦气，把气囊折叠起来，发电机就可以很方便地被运送到其他急需的地方。可见，空中气囊式发电装置具有便捷、稳定、环保等特点。

在空中风电场这一领域仍面临着很多的障碍和挑战，对于空中风电场的技术研发还是处于初级阶段，有待深入探索。