“雙碳”目標下，可再生能源大發(fā)展進一步推動了我國風電的裝機提速，但伴隨著風電存量資產(chǎn)的逐年增長，應該如何盤活存量資產(chǎn)，推動風電增質(zhì)提效？“以大代小”風電技改政策已被多次提及，并有望在全國范圍內(nèi)逐步開展。在這一政策背景下，風電場老舊機組到底適不適合增容？如何增容？增容后效益如何？在國慶節(jié)前剛剛落幕的、由世紀新能源網(wǎng)主辦的“2021第六屆東北能源與經(jīng)濟峰會”上，來自東北電力大學的張立棟副教授，為與會嘉賓分享了風洞試驗結(jié)果。

中國風電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展始于2008年左右，在風電發(fā)展初期，國內(nèi)的風電整機廠商通過技術(shù)引進或許可制造的模式開始規(guī)模化發(fā)展的探索，但當時對產(chǎn)品的認識還非常不足，通常是邊干、邊吸收、邊優(yōu)化。技術(shù)不成熟導致早期安裝的風電機組性能不佳，部分機型故障率較高，風能資源利用率較低。特別是有些整機商在過去行業(yè)競爭中被淘汰，留下不少“孤兒機組”。這些尚未達到設(shè)計壽命的高故障、低效率機組成為制約風電運營商盈利能力的重要限制因素。

根據(jù)發(fā)改委能源研究所測算，2021-2030年全國風電機組累計改造退役容量將超過6000萬千瓦。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，“十四五”期間，退役機組容量將包括 2000 年之前的 34 萬千瓦以及“十五五”期間建設(shè)的 92 萬千瓦。對于服役超過 15 年的機組按 1.5MW 以下全部改造、 1.5MW 改造比例 1/3 測算，“十四五”時期風電機組改造置換需求超過 1800 萬千瓦。

如何處理這些老舊機組？2021年8月30日，寧夏自治區(qū)發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于開展寧夏老舊風電場“以大代小”更新試點的通知》（以下簡稱《通知》）。這是繼國家能源局在《關(guān)于2021年風電、光伏發(fā)電開發(fā)建設(shè)有關(guān)事項的通知（征求意見稿）》中提出“啟動老舊風電項目技改升級”之后的第一份地方性試點文件，這一重磅消息直接將風電技改中“以大代小”規(guī)劃落實政策層面，為運行年限、效益指標、設(shè)備容量、項目核準等一系列細則提供了政策標準和依據(jù)。

《通知》表示，對單機容量在1.5兆瓦及以下、連續(xù)多年利用小時數(shù)低下、存在安全隱患的項目，更新及增容風電場單機容量達到3MW及以上，年等效利用小時數(shù)達到2000小時以上。

如果按照《通知》中的替代機組容量粗略計算，假設(shè)“十四五”期間需改造機組平均為1MW，以3MW的裝機容量進行替換，在風電場面積不變的情況下，通過風電技改裝機容量理論上有望在原有基礎(chǔ)上增長40萬千瓦；假設(shè)“十五五”期間需改造機組平均為1.5MW，以4MW的裝機容量進行替換，裝機容量有望增長1億千瓦。裝機容量的增長疊加單機利用小時數(shù)提升，有望帶來風電運營效益的顯著增長。

對于有望在全國鋪開的“以大代小”政策，經(jīng)濟效益到底如何？不同地點、不同類型的風機，經(jīng)濟效益又有多大差別？針對諸多疑問，東北電力大學以風洞試驗的方式進行了驗證。

本次實驗的目的十分明確，就是想要探究風電場中不同型號、不同排布方式的風力機在偏航條件下的風力機尾流場風速、湍流分布情況以及設(shè)計工況下對下游風力機發(fā)電功率影響。在不同的工況下測量風力機尾流區(qū)域的氣壓分布、風速風向情況、下游風力機葉輪轉(zhuǎn)矩等參數(shù)，計算得到模型尾流區(qū)域內(nèi)的風廓線、湍流強度及下游風力機的發(fā)電功率。進而研究新型風電場布局與下游風力機及整場發(fā)電功率的關(guān)系，尋找提高風電場功率的方法。

該實驗由以下兩個實驗組成：

（1）兩臺大風力機模型直列排布尾流測量實驗；

（2）兩臺大、十二臺小風力機模型綜合布置的尾流功率測量實驗。

實驗（1）主要為了補充現(xiàn)階段風力機尾流研究中缺少大尺寸偏航和槳距條件下的尾流分布的實驗研究問題，為后續(xù)研究風電場增加非等高交錯布機提高風電場效率進行對比參照。實驗得到不同偏航角下的單臺風力機尾流數(shù)據(jù)。同時在分析上游大風力機模型的尾流情況后，使用下游風力機在后部進行測功，以研究在實際情況中上游風力機偏航對下游風力機的影響情況。

實驗（2）探究下游大風力機在風力機陣列尾流的氣動性能，通過電動機帶動上游大風力機及十二臺小風力機達到試驗工況中指定轉(zhuǎn)速并通過更改加裝小風力機的高度，測量下游大風力機的氣動性能。

試驗是在“國家環(huán)境保護大氣物理模擬與污染控制重點實驗室回流式邊界層風洞”進行的，采用的實驗數(shù)據(jù)為：

試驗段尺寸：長寬高24×4×3m；

風速范圍：0～30m/s連續(xù)可調(diào)；

流場品質(zhì)：氣流性能在5m/s～30m/s范圍內(nèi)滿足或優(yōu)于GJB1179A-2012關(guān)于低速風洞的性能指標?？梢曰亓魇介]路運行，也可開路運行，可形成厚度1.5m～2m的邊界層。

特色：尺寸大，可以在直流與回流之間切換。

試驗針對單一風向下20臺陣列排布的1.25MW風力機，各風力機在沿風向和垂直于風向上的間距均為240m（約等于4倍的葉輪直徑）的排布情況，研究考慮了5種替換方案并通過數(shù)值模擬得到了原始方案和替換方案在不同風速下風力機的發(fā)電功率。

模擬結(jié)果反映，將部分1.25MW風力機替換為5MW風力機可提高剩余1.25MW風力機的平均功率，且不同的替換方案對1.25MW風力機平均功率的提升幅度不同。對于均替換掉4臺1.25MW風力機的三項方案（即工況4、5、6），工況5對應的方案在6m/s和\8m/s風速下的總功率要高于另外兩項方案，而在10m/s風速下的總功率卻低于工況4對應的方案。這表明在實際應用中，需結(jié)合當?shù)氐娘L速大小概率密度分布，考慮不同風速的影響，確定最優(yōu)的方案。 

根據(jù)數(shù)值算例的模擬結(jié)果，試驗初步得出以下結(jié)論：

（1）將小風力機替換為大風力機能提高風電場的總發(fā)電量；

（2）將小風力機替換為大風力機能有效提高小風力機的平均發(fā)電功率；

（3）受小風力機影響，大風力機的發(fā)電功率（相較于沒有小風力機的情況）也可能出現(xiàn)一定提升；

（4）替換同等數(shù)量的小風力機，選擇不同位置的小風力機進行替換，風電場的總發(fā)電量會有一定程度的差異。