風能是潔凈環保的可再生能源，人類對風能的利用至少已經有3000年歷史，由于受到當時經濟、技術方面的因素制約，風力發電技術發展緩慢。19世紀70年代世界爆發石油危機之后，歐美等發達國家為尋找能夠替代化石燃料的新能源，投入了大量的科研經費與激勵政策研制風電機組。二十世紀，風力發電事業在全球范圍內蓬勃發展，風電機組單機發電量從最初的kW級發展到現在的MW級，從最初的小型離網型單機發展到現在大型并網型機組。從最初的木制葉片、固定輪轂及側偏尾舵調速發展到現在的玻璃纖維片、定槳距或變槳距以及偏航對風調節系統。

　　全球風能理事會（GWEC）2012年3月7日公布的調查結果顯示，2010年全年新建風力發電設備的裝機總容量排名首位的是中國（16.5GW），比排名第二的美國（5.12GW）多出2倍多。這意味著中國的裝機總容量遠超美國，是世界第一風電大國。

　　從目前的發電方式的碳排量來看，煤發電為275g，油發電為204g，天然氣發電為181g，風力發電為20g。風力發電的碳排量相比之下小得多。除水電外，風電是開發最成熟、開發成本最低，也是未來最具大規模價值的可再生能源之一。

　　中國“十二五”規劃提出的100GW風電裝機目標中，將有至少20GW的份額屬于低風速風電場。譬如，廣西的風場大部分屬于低風速區，近期開發的力度加大，而在廣西風力發電規劃項目選定的96個風電場選點中，桂林占了48個，可以說，桂林是廣西風力發電開發的重點。

　　建立風場的首要任務就是要選擇適合于風場地域特點的風電機組。譬如，為適應桂林地區的特殊運行環境，必須要求風電制造企業調整原有設計方案，并提供調整方案后樣機的試驗數據，以保證調整方案的合理性。

　　在風場的運行過程中密切關注風電機組設計方案中較為薄弱的環節，提高風電機組運行的可靠性。由于近年來風電發展迅速，部分生產企業急于占領市場，忽略對調整方案樣機的測試與試驗，給風電發展帶來了巨大的隱患。

　　本文結合在廣西地區低風速風區的工作實踐經驗，主要討論風場選擇風電機組及運行維護應重點關注的幾個問題。

　　風電機組葉片審查（1）翼型方案審查低風速區需更優化的葉片，在更低的風速下吸收更多的風能。

　　風電機組葉片作為風電機組的核心部件之一，其性能質量直接影響整體機組的效率，設計合理的葉片是保證風電機組正常穩定運行的重要因素。另一方面葉片制造成本占風電機組設備的20%－30%，因此提高葉片的性能一直是風電技術研究的方向。葉片的氣動設計包括外形設計及氣動性能計算，氣動外形設計決定了風能利用效率，氣動性能計算是評價葉片外形設計的關鍵指標。

　　企業進行低風區機型葉片設計時，對結構強度計算比較重視，常常忽視對葉片的氣動外形的設計。風電機組運行環境變化，原有葉片氣動外形設計方案應進行調整，才能滿足在特定的風速分布下年發電量最大的要求。選型時應了解企業對調整后的葉片氣動外形優化設計方案，是否用氣動性能計算程序對三葉片風輪進行了性能校核計算，葉片風能利用系數及額定風速（輪轂高度均勻風速）是否具有良好的空氣動力性能。

　　選型要重點分析企業對葉片外形設計方案采用確認方式的合理性，對比分析測試結果與計算結果的差異是否在允許范圍內，企業對存在誤差的分析的理論依據是否正確。還要核對企業設計方案中載荷計算使用的最佳運行曲線、風電機組的切入/切出風速等關鍵運行參數是否與樣機控制系統中設置的數據一致，此處是設計中各專業組的接口。參與風電機組設計的專業較多，方案的部分功能是各專業組分別進行，容易出現重點數據未進行傳遞通不暢問題，所以在選型時一定要對兩專業使用的同一重要參數進行核對。

　　（2）葉片材料審查

　　選用輕質材料的葉片，以降低風電機組的啟動風速。低風區風電機組的切入風速一般都選擇較低風速，在這樣的情況下，由于葉片質量過重造成其轉動慣量過大，葉片的本身阻力造成其啟動困難，在實際運行中可能會發生在設計的風電機組切入轉速時無法并網發電的現象。

　　變槳系統審查

　　風電機組葉片及塔筒參數變化后，葉片收集的風能也隨之變化。變槳系統是風電機組在緊急停機時工作的重要部件之一，其驅動系統保證了在出現故障需要緊急停機時機組葉片迅速轉動角度，在較短的時間內減少對風能的捕捉，從而使風輪停止轉動，避免發生風輪超速而引發的重大財產或人身損害。生產企業進行低風區機型設計時希望減少成本，認為低風速區大風發生的概率很小往往會降低安全系數。

　　所以選型時要核對變槳驅動系統的電機扭矩，是否能保證在載荷最大時驅動槳葉轉動且轉動速度達到變槳速率的要求，安全裕度是否足夠。還要核對變槳系統的應急電源的容量是否滿足三次連續變槳的要求。現階段各標準要求不一，用戶希望安全裕度取大些，但生產廠家希望降低成本。

　　由制造廠家參與編制的國家能源局頒發的標準《風電機組電動變槳控制系統技術規范》NB/T31018－2011中4.2.9后備電源中要求：“電池后備電源系統：電池組的容量應滿足在葉片規定的載荷情況下完成3次緊急順槳動作的要求”，“電容后備電源系統：電容組的容量應滿足葉片在規定載荷情況下完成1次以上順槳動作要求”。而研究所為主編制的國標《風電機組變速恒頻控制系統》GB/T25386.1－2010中第5.2.11后備電源中要求“后備電源的容量設計應至少3次以上滿載下的全程順槳需求”。

　　在審查時要重點查看樣機試驗的試驗設備中加載設備和變槳速率的測試設備是否滿足要求，加載設備能力是否能滿足要求，測速設備是否能準確的測量變槳速度。某些生產企業試驗時加載的數值采用未考慮安全系數的數值，這樣的檢驗是不能滿足要求的。

　　變槳系統的后備電源方案的審查更加困難，模擬機組運行時滿載情況時的變槳載荷對試驗設備要求較高，對此資料審查時要核對樣機試驗方案中確定的變槳載荷滿載復核參數是否合理，確定變槳系統滿載載荷時的安全裕度是否符合要求。

　　大部分生產企業對變槳系統后備電源方案的試驗以采用樣機在現場運行方式替代，此種做法有些不妥，因為對變槳后備電源確認要求在載荷最大條件下進行。現場運行狀況與氣候條件密切相關，在現場運行的一年內，有可能出現載荷最大值工況的概率較小，在載荷最大值急停的概率更小。所以采用運行現場對變槳系統的后備電源方案進行確認是不夠充分的。

　　偏航系統審查

　　偏航系統是水平軸式風電機組必不可少的組成系統之一，對風電機組利用風能起著非常巨大的作用。偏航系統的主要作用有兩個。其一是與風電機組的控制系統相互配合，使風電機組的風輪始終處于迎風狀態，充分利用風能，提高風電機組的發電效率；其二是提供必要的鎖緊力矩，以保障風電機組的安全運行。

　　偏航系統是由回轉支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺電機驅動的齒輪傳動機構組成的。帶有內齒的偏航軸承用螺栓連接在塔筒頂部，外環與機艙座連接，內環與塔架法蘭連接。偏航驅動機構一般都是由電機、減速機構成。偏航鎖緊力矩由數套偏航剎車盤提供。偏航時各剎車盤處于半釋放狀態，自動解纜時各剎車盤處于全釋放狀態。

　　對于低風速區機型，部分國內制造企業為了降低成本，對偏航系統進行設計“優化”，多采用了減少偏航系統的偏航剎車盤數量的方法。設計方案中的計算制動力矩計入了偏航電機的電磁制動的轉矩，從而減少了偏航剎車盤的制動轉矩。當風載荷產生的扭矩大于偏航制動壓力鉗的扭矩時，載荷扭矩會傳遞到偏航系統的減速器齒輪上，因此這樣的優化可能會導致齒輪箱承受部分交變應力減少使用壽命。

　　風電機組運行維護過程中要加大巡檢頻率，重點關注偏航系統的驅動系統中與電機連接的螺桿及偏航齒輪箱，防其承受交變力提前損壞。

　　控制系統審查

　　由于風電機組工作環境惡劣，以及對機組20年長壽命、高可靠性和安全性的特殊要求，對風電機組的重要部件如齒輪箱、發電機等的運行狀態監控是極其重要的。風電系統是典型的復雜多變量非線性系統，受干擾因素很多，除了風速的大小和方向隨機變化之外，還受電網的參數波動和大氣條件及空氣密度等因素的影響。風電機組由多個部分組成，而控制系統貫穿到每個部分，相當于風電機組的神經系統。因此控制系統的好壞直接關系到風電機組的工作狀態、發電量的多少、以及設備的安全。

　　目前風力發電亟待研究解決的兩個問題發電效率和發電質量，都與風電控制系統密切相關，控制軟件中參數的設定（如：對風向風速調整的跟隨速度等）對機械部件的壽命影響也較大。這些參數的設定既要考慮發電量又要顧及機械部件的使用壽命，最佳運行參數是理論推導與現場運行經驗相結合的產物。審查時要密切關注這些參數的確認方法是否合理，是否對參數的變化范圍進行了確認。

　　現階段風電控制軟件多為進口，而國外企業對核心部分的保密程度較高，削弱了國內引進核心技術進行應用開發的基礎，所以對自主開發軟件的測試尤為重要，大量統計資料表明，軟件測試的工作量往往占軟件開發總工作量的40%以上，在極端情況測試那種關系人的生命安全的軟件所花費的成本可能相當于軟件工程其他開發步驟總成本的三倍到五倍，國內生產廠家的測試投入往往不足。

　　運行過程中要注意對控制軟件運行性能數據進行分析，首先收集軟件中的監視功能相關的數據，結合現場巡檢的情況，核對軟件監視功能是否正確合理。監測功能是否覆蓋了主要設備狀態，

　　收集數據至少包含：

　　（1）有關安全運行性能的數據，如：臨界轉速、臨界功率、重要部件過熱、發電機短路、振動、電纜纏繞、緊急停車等情況的相關的數據；

　　（2）監控功能的數據，如監控功能數據應包含轉速、功率、風速、電網參數、發電  機及齒輪箱和軸承等重要部件的溫度、制動設備狀況、風向、環境溫度、頻率和電壓     （3）啟動和正常停機、急停功能的數據；

 　（4）控制策略的實現功能相關數據，如啟動階段的控制方式、并網后功率隨轉速上升段控制方式、恒頻恒功率段的控制方式等數據。

　　本文以對發電機的控制相關功能相關數據為例說明審查中應關注的重點內容：

　　首先審查發電機繞組溫度監測功能的測試記錄。此監測功能是保證繞組溫度保持在允許的運行范圍內。為此，自監控測量系統必須功能可靠。出廠前也必須對此功能進行測試。

　　其次對設置參數合理性的評估。對繞組溫度極限值的設置合理性進行審查。即使是稍微超過容許的溫度值，也會減少發電機的壽命。顯著超過這個限值會在短時間內導致電機損壞。繞組溫度的極限值一般根據制造商所提供的有關電機絕緣等級的資料來確定。審核發電機的絕緣等級相關的設計及試驗資料，核實繞組溫度極限值的設置的合理性。值得關注的是：有些發電機的制造廠家為了市場宣傳的要求常常夸大電機的絕緣等級，所以在運行時要注意核實發電機型式試驗中的溫升試驗的具體數據，以判斷發電機的真實絕緣等級，確保繞組溫度極限值的設置的正確性。

　　還要對軟件超出限制的處理能力的數據進行評估。當超過容許的繞組溫度，控制系統應降低發電機的功率輸出，直至繞組溫度低于容許溫度。

　　對過大的電流或功率可能導致機械過載和電氣過載時的控制系統的應對功能的運行記錄的審查。控制系統必須具有減少超出額定運行值的控制功能。超過最大容許的溫度極限值時，風電機組安全保護系統應作出響應。收集的數據應涵蓋包含對上述功能相關的運行數據。

　　對發電機的功率與轉矩控制功能相關數據分析是必不可少的，此功能與年發電量密切相關。控制系統的控制策略最終的實現就是通過對發電機的功率和轉矩的控制完成的。因此要對此部分的運行數據進行重點的審查，要核對發電機的運行中性能數據與控制策略要求的是否匹配，載荷計算時采用的控制策略與軟件中的控制策略是否一致等。

　　防雷系統審查

　　風電機組分散安置在曠野、山頂或沿海區域，大型風電機組葉片高點（輪轂高度加風輪半徑）達130m－250m，遭受雷擊概率高；風電機組的電氣絕緣低（發電機電壓690V、大量使用自動化控制和通信元件）。風電機組是風電場的貴重設備，價格占風電工程投資60%以上。若其遭受雷擊（特別是葉片和發電機貴重部件遭受雷擊），除了損失修復間發電量之外，還要負擔受損部件的拆裝和更新的巨大費用。

　　風電設備較大，由于現階段試驗條件不具備，防雷系統無法用試驗的方式測試。

　　防雷系統由外部防雷與內部防雷組成。外部防雷包括：葉片的防雷保護、機艙的防雷保護、塔架及引下線、接地網。內部防雷包括：等電位連接、隔離、過電壓保護設備。設備啟動前要逐一檢查測試相關內容。根據多年的運行情況分析，防雷系統的薄弱環節為轉動部分與靜止部分的等電位連接，尤其是葉片的根部與輪轂處的連接。初期有部分廠家僅采用一條導線將葉片防雷系統與金屬輪轂相連。

　　運行中由于導線長度或結構不合理，導線被拉斷，從而使葉片運行時產生的靜電無法導出。若發生雷擊，短期導出大電流無法實現，此種結構存在很大的風險。近期廠家逐漸重視此結構的改進，連接處使用碳刷傳遞電流，通過兩個碳刷和平行的有間隙的兩個放電導板，越過旋轉軸承轉移到主機架。現場運行維護中應重點關注此部分連接方式是否合理。

　　運行前須對樣機的接地電阻的測試結果進行核實，以確認其是否滿足防雷系統的需要。

　　結語

　　風電發展質量是關鍵，國外風電大國都是風電機組制造大國，為支持風電機組制造業，政府投入了大量的研發資金，組建政府研發機構進行基礎研究，并建立風電測試平臺。如丹麥政府資助建立的公共測試平臺主要包括試驗風電場和葉片等零部件試驗平臺，并建立完善了風電機組標準及檢測、認證體系。所有風電機組必須通過認證機構認證和檢測才能進入市場銷售，即保證了風電機組質量，又促進了技術積累。

　　目前，我國風電產業服務體系尚不完善，風電技術標準、產品認證、系統設計、工程管理等基礎都比較薄弱。但是，在不久的將來，中國風電產業不僅要成為全球發展最快的產業，也要成為發展最健康的產業；為實現我國2020年非化石能源消費比重達到15%的目標，中國風電2020年要實現200GW的裝機容量，巨大的市場為風電企業和從業者提供了展現自己才華的舞臺。繼續堅持質量為本，技術創新之路，中國風電一定能引領全球風電的發展。