中国华能集团清洁能源技术研究院 郭小江 2023年7月 Contents 目 录 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 沙戈荒多处于海拔高度1000m以上，土地较为平坦，风光资源条件优越，但环境恶劣，浮尘日、雷暴 日、沙尘暴较多，气温夏季高、冬季低，季节性温差变化大，为新型能源基地的规划、建设和经济开发带来 了诸多挑战。 禀赋 风光资源好 新能源与火电 偏远无人 年利用小时数高 大规模、集约化 征地成本低 开发建设 消纳送出 挑战 生态治理 环境特点 数值 夏季气温 可达50 ℃ 冬季气温 可达-40 ℃ 风速 约为5~6m/s 风能密度 150 ~ 300 �/�^� 4 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “沙戈荒”地区极端灾害性天气频发，特殊的气象条件、地质特性等不利因素对新能源设备的运行提出更高 要求。宽温差、沙蚀、磨损、地基承载弱等问题交互产生，使设备方案定制更为复杂。 1 地面温度高、昼夜温差大，沙漠边 缘地区夏季最高气温超过40℃ 加速设备老化、氧化、变形——冷却、暴 露的管路电缆 2 多大风扬尘，容易形成沙暴浮尘 磨损、阻塞堵塞及侵蚀——风机的叶片和 密封性、光伏板能量损失 3 含湿陷性黄土，地基承载力弱 4 水源少，气候突变情况多，不宜长 期居住 5 偏远无人，生态恶劣，降水量少 基础沉陷——影响机组安全运行 消纳送出——处于负荷较小地域，日常维 护间隔尽可能延长 生态修复——修复难度较大，植被配置 低 5 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “沙戈荒”能源基地地域范围广，风光资源分布差异大，涉及新能源发电、配套灵活性资源等多种类型设施， 汇集系统布局复杂，为保障系统安全、经济、绿色、高效送出，需在时间、空间尺度进行精细化综合规划研究。 新能源利用率 新能源占比 绿色 高效 供电可靠性 送端上网电价 安全 主网支撑能力 经济 受端落地电价 6 一、沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 “沙戈荒”能源基地送端系统网架结构薄弱，系统惯性低、抗扰动能力差；新能源发电机组对系统的暂 态稳定支撑能力有限，送端系统面临频率、电压失稳风险；基地受到送出曲线、机组调控能力、系统安全 稳定性等多重约束，对能源基地的调度控制带来挑战。 光伏场址 (261km2) 场址一 光伏 风电场址 (1970km2) 场址二 风电 场址四 风电 · 至京津冀通道规划场址（自治区方案） 至中东部通道规划场址（自治区方案） 某基地项目规划图 安全稳定保障 7 Contents 目 录 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 “沙戈荒”地区风电开发面临机组环境适应性要求高、机组大型化难度大、并网运维成本高三大难题，避 免从传统风电机组局部改进带来的“基因缺陷”，亟需提高风电机组可靠性和环境适应性。 环境适应技术难点 机组大型化技术难点 并网运维技术难点 新能源比例高，电力系统安全稳定性风险高 沙粒磨损、散热故障、地基承载弱 超长柔性叶片变形扫塔 机舱增大、增重 沙漠海洋，对机组稳定运行和运维管理要求高 9 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 高适应的定制化 面向未来的大型化 l 提高机组环境适应性，性能更优 l 机组大型化可以显著降本增效 l 提高机组可靠性，降低故障率 l 超前布局2024年技术发展程度 软硬一体的智慧化 l 智能感知、全景监测、故障预警和 运维决策 l 提升智慧运维水平，减少人工维护 外裸件防侵蚀 内置件防沙尘 风大 沙大 土地 沙化 提升雷电流 卸载能力 温差 大辐 射强 地基加强/桩基础 提高基础稳定性 雷暴 多 环境适应控制 外裸件防老化 10 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 通过机理分析、可靠设计、多级测试、深度感知保证定制化风机经济、安全、稳定和智能的设计目标， 通过5大关键技术创新实现风机高适应定制，保证机组不出现叶片侵蚀、扫塔及倒塔事件。 度 感 材料测试 部件测试 整机测试 01 颤振涡激 耦合振动 结构失效 轻量化、高可靠、防沙散热的机舱系统 多 级 测 试 知 03 可 靠 设 140米以上高稳定装配式钢混塔筒基础 机 理 分 析 计 防盐雾 可靠设计 . . . 深 反 哺 陆 上 FMEA法 概率设计 多场优化 02 技 术 18MW机组 126m叶片 下线 150m叶片 在研 120米级避扫塔抗沙蚀低沙敏长柔叶片 04 海 上 先进传感 边缘计算 趋势预测 经济、安全、稳定、智能 基于电压源控制的构网型并网技术 通用性智能传感、监控和运维技术 11 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 研制低沙尘敏感翼型及其气动设计方法，沙尘环境下机组年发电量提升1-3%；采用预弯优化设计、前缘 铺层优化设计等技术，加装高耐磨防沙保护膜，实现叶片在风沙环境的高可靠性。 叶片避扫塔技术 低沙尘敏感翼型族开发 抗风沙前缘保护技术 可靠性 12 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 研发出沙漠砂制备混凝土工艺，实现塔筒基础制造材料就地取材，节约20%混凝土材料成本；建立混塔基础整体结构优化设计技术，研制140米以上高稳定装配式钢混塔筒基础。 沙漠砂制备混凝土工艺 塔筒及基础高效结构优化设计 13 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 研发具有构网能力的大型风电机组电压源型并网控制技术，在惯量主动响应、极弱电网稳定运行、振荡 抑制、故障穿越支撑等方面具有优势，适用于能源富集地区沙戈荒大基地弱交流网并网环境。 变流器弱网稳定性提升机理 弱网下具备自主组网主动支撑 变流器的能力 变流器有源阻尼控制 基于双内环稳定性提升的有源 阻尼法提升强网稳定性 变流器主动支撑控制策略 新能源单机与场站主动电压、 频率支撑控制方法 14 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 对比当前6~7MW陆上主力风电机型，定制化风机造价预计减少15～20%，建设成本下降5～10%，年发 电量提升7～10%，维护成本下降10 ～20%，度电成本降至0.15~0.2元/度。 机组造价↓1 5~20% 机组含塔筒售价从当前2000元/ 千瓦降到1600~ 1700元/ 千瓦 年发电↑7 ~10% 发电量从当前3100小时提升到 3300~3500小时 15 15 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 风电机组呈现着大容量、高效率特征，20MW级将达260米以上。但传统单叶轮风机难以突破CP为0.480.49的极限，受限于结构极限，增大风轮尺寸技术路径难以为继，亟需针对新型风力发电形式开展研究探索。 重量/成本增加 运输难度大 施工/运维要求高 效率瓶颈突出 16 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 采用串列式双风轮风电机组技术路线，利用前后风轮协同，吸收第一个风轮后气流的剩余能量，实现风 能梯级利用，显著提高风能利用系数和系统综合利用率。 更高风能捕获和发电效率 更少占地和更高的资源利用率 更低造价和成熟产业链 单风轮机组流过风轮后风速仅降低20% 风场机组布置间距与风轮直径相关，同 双风轮机组采用”化整为零、梯级利用” 左右，具有很高的能量梯级利用价值， 容量双风轮机组较单风轮直径减小，同 的思路，充分兼顾风电现有产业链，系 设计得当，双风轮Cpmax能突破0.5以上 样的风场容量，占用的面积更小。 统成本低、可靠性高。 17 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 高效串列式风轮风电机组潜在综合优势明显，能够满足风机大型化、高效率、并网友好性要求，并兼顾 现有制造产业链基础和全寿命周期成本。风能利用系数、整机能量利用效率比传统单风轮机组提高10-20%， 叶片长度减少30%以上，风场机位点减少30%~50%，综合效益提高40%~50%。 序号 对比内容 1 额定功率 双风轮 单风轮 双风轮比单 2.7MW-77&62 2.5MW-141 风轮 2700kW 2500kW 增加8% 141m 减少44.6% 前风轮：77.98m 2 叶轮直径 3 轮毂高度 70m 90m 降低22.2% 4 捕风效率 0.55 0.48 提升14.5% 5 综合效率 0.495 0.435 提升13.8% 后风轮：62.98m 18 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 中国华能成功突破双风轮仿真设计软件开发、成套关键装备制造和实验测试方法等关键技术，建立了一 套风能高效紧凑梯次捕获利用的基础理论与技术体系。 双风轮风电机组风洞试验验证 世界首台2.7MW高效串列式双风轮风电机组并网运行 19 二、适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 单位面积风场的风能综合利用率相当于提升了50%~70%，可显著节约我国国土占地，大幅提升风能可 开发规模，突破风电机组风能捕获效率低、叶片尺寸过大等长期限制产业发展的瓶颈。 20 Contents 目 录 1 沙戈荒能源基地开发面临挑战概述 2 适应沙戈荒的风力发电技术与经济性 3 适应沙戈荒的光伏发电技术与经济性 4 沙戈荒大型能源基地综合开发技术 5 相关建议