东北电力大学张立栋：“以大代小”改造老旧风机的经济账

 “双碳”目标下，可再生能源大发展进一步推动了我国风电的装机提速，但伴随着风电存量资产的逐年增长，应该如何盘活存量资产，推动风电增质提效？“以大代小”风电技改政策已被多次提及，并有望在全国范围内逐步开展。在这一政策背景下，风电场老旧机组到底适不适合增容？如何增容？增容后效益如何？在国庆节前刚刚落幕的、由世纪新能源网主办的“2021第六届东北能源与经济峰会”上，来自东北电力大学的张立栋副教授，为与会嘉宾分享了风洞试验结果。

中国风电产业大规模发展始于2008年左右，在风电发展初期，国内的风电整机厂商通过技术引进或许可制造的模式开始规模化发展的探索，但当时对产品的认识还非常不足，通常是边干、边吸收、边优化。技术不成熟导致早期安装的风电机组性能不佳，部分机型故障率较高，风能资源利用率较低。特别是有些整机商在过去行业竞争中被淘汰，留下不少“孤儿机组”。这些尚未达到设计寿命的高故障、低效率机组成为制约风电运营商盈利能力的重要限制因素。

根据发改委能源研究所测算，2021-2030年全国风电机组累计改造退役容量将超过6000万千瓦。调研数据显示，“十四五”期间，退役机组容量将包括 2000 年之前的 34 万千瓦以及“十五五”期间建设的 92 万千瓦。对于服役超过 15 年的机组按 1.5MW 以下全部改造、 1.5MW 改造比例 1/3 测算，“十四五”时期风电机组改造置换需求超过 1800 万千瓦。

如何处理这些老旧机组？2021年8月30日，宁夏自治区发展改革委发布《关于开展宁夏老旧风电场“以大代小”更新试点的通知》（以下简称《通知》）。这是继国家能源局在《关于2021年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知（征求意见稿）》中提出“启动老旧风电项目技改升级”之后的第一份地方性试点文件，这一重磅消息直接将风电技改中“以大代小”规划落实政策层面，为运行年限、效益指标、设备容量、项目核准等一系列细则提供了政策标准和依据。

《通知》表示，对单机容量在1.5兆瓦及以下、连续多年利用小时数低下、存在安全隐患的项目，更新及增容风电场单机容量达到3MW及以上，年等效利用小时数达到2000小时以上。

如果按照《通知》中的替代机组容量粗略计算，假设“十四五”期间需改造机组平均为1MW，以3MW的装机容量进行替换，在风电场面积不变的情况下，通过风电技改装机容量理论上有望在原有基础上增长40万千瓦；假设“十五五”期间需改造机组平均为1.5MW，以4MW的装机容量进行替换，装机容量有望增长1亿千瓦。装机容量的增长叠加单机利用小时数提升，有望带来风电运营效益的显著增长。

对于有望在全国铺开的“以大代小”政策，经济效益到底如何？不同地点、不同类型的风机，经济效益又有多大差别？针对诸多疑问，东北电力大学以风洞试验的方式进行了验证。

本次实验的目的十分明确，就是想要探究风电场中不同型号、不同排布方式的风力机在偏航条件下的风力机尾流场风速、湍流分布情况以及设计工况下对下游风力机发电功率影响。在不同的工况下测量风力机尾流区域的气压分布、风速风向情况、下游风力机叶轮转矩等参数，计算得到模型尾流区域内的风廓线、湍流强度及下游风力机的发电功率。进而研究新型风电场布局与下游风力机及整场发电功率的关系，寻找提高风电场功率的方法。

该实验由以下两个实验组成：

（1）两台大风力机模型直列排布尾流测量实验；

（2）两台大、十二台小风力机模型综合布置的尾流功率测量实验。

实验（1）主要为了补充现阶段风力机尾流研究中缺少大尺寸偏航和桨距条件下的尾流分布的实验研究问题，为后续研究风电场增加非等高交错布机提高风电场效率进行对比参照。实验得到不同偏航角下的单台风力机尾流数据。同时在分析上游大风力机模型的尾流情况后，使用下游风力机在后部进行测功，以研究在实际情况中上游风力机偏航对下游风力机的影响情况。

实验（2）探究下游大风力机在风力机阵列尾流的气动性能，通过电动机带动上游大风力机及十二台小风力机达到试验工况中指定转速并通过更改加装小风力机的高度，测量下游大风力机的气动性能。

试验是在“国家环境保护大气物理模拟与污染控制重点实验室回流式边界层风洞”进行的，采用的实验数据为：

试验段尺寸：长宽高24×4×3m；

风速范围：0～30m/s连续可调；

流场品质：气流性能在5m/s～30m/s范围内满足或优于GJB1179A-2012关于低速风洞的性能指标。可以回流式闭路运行，也可开路运行，可形成厚度1.5m～2m的边界层。

特色：尺寸大，可以在直流与回流之间切换。

试验针对单一风向下20台阵列排布的1.25MW风力机，各风力机在沿风向和垂直于风向上的间距均为240m（约等于4倍的叶轮直径）的排布情况，研究考虑了5种替换方案并通过数值模拟得到了原始方案和替换方案在不同风速下风力机的发电功率。

模拟结果反映，将部分1.25MW风力机替换为5MW风力机可提高剩余1.25MW风力机的平均功率，且不同的替换方案对1.25MW风力机平均功率的提升幅度不同。对于均替换掉4台1.25MW风力机的三项方案（即工况4、5、6），工况5对应的方案在6m/s和\8m/s风速下的总功率要高于另外两项方案，而在10m/s风速下的总功率却低于工况4对应的方案。这表明在实际应用中，需结合当地的风速大小概率密度分布，考虑不同风速的影响，确定最优的方案。 

根据数值算例的模拟结果，试验初步得出以下结论：

（1）将小风力机替换为大风力机能提高风电场的总发电量；

（2）将小风力机替换为大风力机能有效提高小风力机的平均发电功率；

（3）受小风力机影响，大风力机的发电功率（相较于没有小风力机的情况）也可能出现一定提升；

（4）替换同等数量的小风力机，选择不同位置的小风力机进行替换，风电场的总发电量会有一定程度的差异。