國家能源局的數據顯示，2017年1-10月，全國新增風電并網容量1055萬千瓦。從區域分布來看，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域風資源特性的認知層層深入，以及風能資源評估技術的飛速發展，全國風資源可開發利用潛力不斷升級。權威數據顯示，低風速風力發電機組技術發展開拓了巨大的風電開發空間，增加可開發面積61萬平方米，約7億千瓦容量。我國中東南部19個省（區、市）風能資源開發量由原來的3億千瓦增至10億千瓦。

 

圖1 19省（區、市）新增低風速區風能資源潛力圖

（數據來源：國家氣候中心）

 

　　然而低風速開發并非一路坦途。風速不斷下探、可開發資源有限、土地環保壓力大、建設周期長、居民區距離限制等現實情況，要求低風速風電場開發更加精細化和定制化。如何保證低風速地區風電開發的收益，成為行業可持續發展的關鍵挑戰。

 

　　從風資源角度來說，風速在空中水平和（或）垂直距離上會發生變化，這種現象在大氣學中稱為風切變。在風電行業，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。可以看到，高切變下，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的風切變為例，塔架高度從100m增加到140m，年平均風速將從5.0m/s增加到5.53m/s，某131-2.2機組的年等效滿發小時數可從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電量增量。數據顯示，風切變越大、塔架高度越高，發電量增量越大。

 

表1 某131-2.2機組在不同風切變

 

　　產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、環境因素。一般來說，山區風切變低；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，近地層大氣呈現出上暖下冷的穩定態勢。同時氣流主要是水平運動，因此會出現上層風速大，下層風速小的現象。在山區，由于山體阻擋了氣流運動，本來平穩的氣流被擾動，上下層間的風速差距縮小。因此，高切變一般出現在平原地區，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，藍色表示年平均風速在5-6m/s之間的地區。對比兩圖可發現，中東部平原在80m高度的年平均風速僅5-6m/s，但在100m高度，由于平原地區風資源的高切變特性，大部分地區的年平均風速均超過了6m/s。（數值模擬風速值與實際會有偏差，需要根據真實數據進行訂正。）

 

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。

 

　　我國江蘇、安徽、河南、山東、湖北、河北等低風速區域均有豐富的高切變風資源。如何高效開發利用這類低風速、高切變的風資源，是行業正面臨的一大挑戰，而高塔正是應對這一挑戰的關鍵技術。

 

　　在風切變較大的地區，通過增加塔架高度，風輪被托舉到風速更高的區域，從而捕獲更多的風能，提高機組發電量。因此使用高塔架技術將是提高風場經濟效益的有效解決方案。

 

　　二、國內外現狀

 

　　國外高塔架風力發電機組的技術研究和應用相對較早，從120米至160米的高塔都已有批量商業運行業績，全球范圍內已安裝上萬臺100m以上高塔架風力發電機組。近日在德國斯圖加特完成吊裝的178米風力發電機組，擁有當前全球最高的風電機組塔架。

 

圖4 全球最高的178m風力發電機組

 

　　高塔架風力發電機組在國內的研究起步相對較晚，但始終是行業的熱點。各風力發電機組設備廠商對高塔架技術的研究也持續向前，更有一些企業的高塔機組已開始運行。截至目前，國內并網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 國內最高的140m全鋼柔塔機組（2017年5月29日并網運行）

 

　　三、高塔架分類及技術難點

 

　　能顯著提升風電機組經濟效益的高塔技術，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手段來解決塔架增高帶來的新挑戰。

 

　　目前我國高塔架機組主要有全鋼柔塔和鋼混塔兩種技術路線。

 

　　（一）全鋼柔塔及技術難點

 

　　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頻率范圍有重合。而對于傳統的剛性塔架，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、吊裝和傳統剛性塔架并無實質區別。

 

　　由于塔架一階固有頻率和風輪轉速頻率相交，柔塔需要重點解決的就是在相交點對應轉速下產生的塔架共振問題。目前常見的柔塔控制策略是采用動態穿越來應對，如圖6所示，當機組運行轉速接近共振轉速時，共振穿越策略會讓機組快速地穿越到其他轉速，使機組幾乎很難在共振轉速附近運行，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象。

 

圖6 柔塔共振穿越策略

 

　　但是風輪的轉速一旦主動跳過塔架固有頻率附近的區間就意味著其控制目標不再是風能的最優捕獲，會帶來一定的發電量損失。針對該問題國內廠家開展了大量的研究，通過轉速拒止區、拓展低轉速運行區間、加強塔架和葉片生產和裝配質量控制、采用氣動阻尼等方式降低振動影響，減少發電量損失。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，也就意味著幾乎不損失發電量。

 

　　這種新的控制策略主要通過轉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的周期作用到塔架結構上，若這樣頻率的激勵和塔架的固有頻率發生相交，就可能導致塔架結構共振。轉子不平衡補償控制技術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。這種技術最初在大葉輪的低風速機組上有過成熟有效的應用，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。不平衡補償技術有效地解決了這個問題，使柔性塔架控制技術快速發展。

 

　　主動阻尼注入就是用軟件控制變槳策略，實現實際上的阻尼效果，進一步抑制塔架可能的振動狀態，將振動的初始狀態遏制在搖籃里。從而有效抑制產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構阻尼作用，本質上就是讓動態穿越技術不再作為常態的控制方法而蛻變成保護策略的一種。這是風力發電機組控制技術持續進步給全鋼柔塔技術帶來的突破。

 

　　全鋼柔塔需要解決的另一個技術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，及由控制系統調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，在一定的穩定流速下，都會在物體兩側周期性交替的產生脫離結構物表面的渦旋，即邊界層脫離。這種交替發生的渦旋會在筒體上產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構固有頻率接近，就會引發筒體橫向的周期性振動，這種規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，惡化表面漩渦的脫離。這種流體-結構物相互作用的現象，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挑戰并不在塔架本身，其生產、運輸過程與傳統塔架并無區別。風力發電機組整體控制水平的提高才是全鋼柔塔應用的關鍵。

 

　　（二）鋼混塔及技術難點

 

　　鋼混塔一般指鋼材和混凝土共同構成的塔架，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高度的傳統鋼塔。就整機控制而言，鋼混塔的控制和傳統鋼塔差異不大。2013年，90米高鋼混塔架機組在達坂城風電場并網發電，至今運行效果良好，為后續鋼混塔在高塔架方面的應用打下了良好基礎。近日，在鹽城大豐，140米鋼混塔也已完成吊裝。

 

圖9 90米高鋼混塔架機組（2013年5月并網發電）

 

圖10 140m高鋼混塔機組（已完成吊裝）

 

　　鋼混塔架的更多技術難點不僅在于如何在國外成熟的鋼混塔架技術路線的基礎上自主研發適用于國內風電場的鋼混塔架設計，可以系統地看到它還包括：與項目執行相關的鋼模具設計、結構設計、供應鏈體系開發等問題。國內針對鋼混塔架，開展了大量的研究，進行了室內縮比結構試驗及樣機驗證。

 

　　1.模具設計

 

　　當采用項目機位點進行現場澆筑方式生產時，鋼模具應設計具有足夠強度、穩定性的內模內撐桁架系統；采用預制方法進行鋼混塔架項目建設時，應主要控制預制節段精度問題；模具設計理念、使用方便與否將直接影響混凝土塔筒預制效率，貼合項目的模具設計也是一個企業研發能力的體現，且大規模的項目開發必將需求更先進的模具工藝。

 

　　2.結構設計

 

　　如何設計適合國內風電場建設周期、具有優異阻尼特性且振動模態的鋼混塔架設計成為整個鋼混塔架結構研發的重點。通過不斷迭代塔架荷載，優化鋼塔筒段與混凝土段比例，確定設計方案，均需多次反復才可實現；同時需要將土建行業成熟的預應力技術引入至風電塔架中，是在國內的首次嘗試；如何參照國內外行業規范設計出滿足疲勞荷載預應力混凝土結構、鋼混塔架連接位置強度設計、基礎與塔架連接的設計理念都需要在結構設計中體現。自主研發路線往往需要較長時間的仿真分析及模型試驗，在經樣機監測可靠后推向市場的產品才稱得上成熟。

 

　　3.供應鏈體系開發

 

　　鋼混塔架涉及專業較廣，且并非傳統的水平向、豎直受力類橋梁結構，無論從需求材料、工藝開發等均應滿足電力設計行業標準，開發一套完備的供應鏈體系，需要較長時間。

 

　　為解決混凝土疲勞問題，將建筑橋梁的預應力技術運用到鋼混塔架；為解決運輸問題，設計要考慮分段分片設計和運輸保護。

 

　　國內采用的鋼混塔架項目多為預制式生產，在今后看來，如何將混凝土塔筒改為集約工廠化生產，使得產品更具有運輸便利性；如何將預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。市場調研顯示，目前已有廠家通過預制工藝革新，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，高塔技術并非簡單的塔架高度增加，其本質是通過先進技術手段解決塔架增高帶來的新挑戰。

 

　　四、高塔架技術應用案例

 

　　目前國內高塔架技術已相對成熟，有效地拓展了風電的應用場景，為風電行業的發展注入了新的活力。為了解目前國內高塔架機組的運行情況，風能專委會針對2017年12月31日前的應用案例進行了專項調研，調研結果顯示我國高塔架技術已得到批量應用，具體情況如下。

 

　　（一）140米輪轂高度并網案例

 

　　1.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。至2017年11月3日為止，運行158天，平均發電量135萬kWh。

 

　　2.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中壓風力發電機組（風力發電機組出口電壓10kV，直接接入10kV電網，不需要箱變），于2017年12月8日并網發電，截至12月31日共并網四臺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據以及中尺度數據相結合，可以得到比較準確的風資源情況。經過分析，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小時能夠達到2500h以上。突破了內陸城市周邊地區不可能開發風電的認識觀念，比鄰鱗次櫛比的江陰熱電廠開發分散式風電，為工業大用戶提供綠色電力。

 

圖11 江陰分散式項目

 

　　（二）120米輪轂高度并網案例

 

　　1.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，統計2016年7月29日至2017年12月29日，共發電994萬kWh。

 

　　2.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，所有機組陸續完成了并網。至2017年11月4日為止，全場每臺機組平均運行336天，平均發電量523.5萬kWh。

 

　　3.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，所有機組陸續完成了并網。至2017年11月8日為止，全場每臺機組平均運行333天，平均發電量472.1萬kWh。

 

　　4.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，陸續完成了并網，至2017年11月3日為止，平均運行155天，平均發電量132萬kWh。

 

　　5.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，至2016年12月29日，這兩臺高塔架機組平均運行213天，平均發電量338.5萬kWh。

 

　　6.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。至2017年11月3日為止，運行995天，發電量1281.5萬kWh。

 

　　7.泰國Chaiyaphum風電場

 

　　高塔架技術不僅在國內得到應用，在國外也得到了應用。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，所有機組陸續完成了并網。至2017年11月3日為止，全場每臺機組平均運行367天，平均發電量345.2萬kWh。

 

　　（三）140米輪轂高度吊裝案例

 

　　1.河南內黃風電場

 

　　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。

 

　　2.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。

 

　　3.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。

 

　　4.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。

 

　　5.江蘇天潤大豐試驗風電場

 

　　金風科技建設，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。

 

　　3.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。

 

　　4.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，正在進行調試。

 

　　5.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，屬于高切變區域。120m平均風速5.5m/s。去年河南、內蒙和新疆等地都發布了推動分散式風電發展的政策，其中河南省批復超過2GW的分散式風電。分散式發電不僅能解決河南地區集中風電場開發中存在的交通網絡復雜，耕地面積大等問題，還能在河南地區就近接入當地電網進行消納，滿足當地用電需要，更顯分散式風電開發的突出作用。

 

圖12 河南蘭考中廣核蘭陽分散式項目（2017年12月）

 

　　6.江蘇天潤大豐試驗風電場

 

　　金風科技建設，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，進入機組調試階段。

 

　　7.墨西哥Dzilam風電場

 

　　我國高塔架技術在世界范圍得到了應用，據了解，墨西哥Dzilam風電場采用28臺遠景能源EN-110/2.5MW機組，總容量70MW，塔架高度120m，為全鋼柔塔。目前已完成吊裝，等待并網。

 

　　五、報告結論

 

　　采用高塔架技術提升機組發電量是當今世界流行且成熟的一種技術手段，但高塔架并非增加塔架高度這么簡單，對于鋼柔塔其本質是通過先進的控制技術解決塔架增高帶來的各種新挑戰，對于鋼混塔，涉及一系列的技術革新。

 

　　因此，開發商在采用高塔架技術方案時務必嚴格遵守相關技術標準和規范，以保障高塔架機組的運行安全性并實現發電量預期。

 

　　雖然國內高塔技術起步較晚，但發展迅速。從目前已安裝和運行高塔架風場的情況看，國內領先廠家已經具備高塔架批量商業化運行的技術水平，但是開發商務必充分認識高塔架的技術難度和質量風險，謹慎選擇經過評估認證和實踐驗證的，符合標準規范要求的，安全可靠的高塔架風力發電機組。

 

　　在確保安全可靠的前提下，分散式風電開發的優勢也將會穩步顯現。目前，已有廠商的高塔技術在內陸城市周邊地區得到應用，突破了內陸城市周邊地區不能開發風電的認識觀念。江蘇、安徽、河南、山東、湖北、河北等地區因靠近負荷中心，具備分散式風電發展的良好條件。隨著低風速風電開發的持續深入，這些地區將是分散式風電發展的重點區域，高塔架也將迎來更為廣闊的應用前景。

 

　　因此，風能專委會鼓勵開發商和設備企業積極開展風電新技術的研究，以可靠性和安全性為前提，加大技術創新，建立更加完備的高塔架相關技術標準和檢測認證體系，共同推動我國風電產業的可持續健康發展。

 

　　原標題:重磅 |高塔架風電機組技術調研報告出爐(中國風電技術創新系列報告之一)