5 风电机组选型、布置及风电场发电量估算
5.1 风电机组选型
5.1.1 单机容量范围及方案的拟定
5.1.1.1 风电机组发电机类型的确定
风电场机型选择应考虑适合风电场场址的风资源条件，有利于提高风电场的发电效益。
随着国内外风力发电设备制造技术日趋成熟，针对不同区域风资源条件，各风机设备制造厂家已经开发出不同结构型式、不同控制调节方式的风力发电机组可供选择。
按照IEC61400-1标准（风电机组设计要求），风电场机组按50年一遇极大风速可分为I、II、III三个标准等级，每个等级按15m/s风速区间的湍流强度可分为A、B、C三个标准等级，为特殊风况和外部条件设计的为S级。
因此，根据怀宁风电场场址的地形、交通运输情况、风资源条件和风况特征，结合国内外商品化风电机组的制造水平、技术成熟程度以及风电机组本地化率的要求，进行风电场机组型式选择。
风力发电机组选型应考虑的几种因素
(1) 风电机组应满足一定的安全等级要求
表5.1.1.1-1 IEC61400-1各等级WTGS基本参数
上表中各数据应用于轮毂高度，其中V ref为10min平均参考风速，A 表示较高湍流特性，B表示中等湍流特性，C表示较低湍流特性，Iref为湍流强度15m/s时的特性。
在轮毂高度处，15m/s风速区间的湍流强度值不大于0.12，极大风速为28.2m/s。
根据国际电工协会IEC61400-1(2005)标准判定本风电场工程70~90m轮毂高度适宜选择IECⅢC及以上等级的风力发电机组。
(2) 风轮输出功率控制方式
风轮输出功率控制方式分为失速调节和变桨距调节两种。
两种控制方式各有利弊，各自适应不同的运行环境和运行要求。
从目前市场情况看，采用变桨距调节方式的风电机组居多。
(3) 风电机组的运行方式
风电机组的运行方式分为变速运行与恒速运行。
恒速运行的风力机的好处是控制简单，可靠性好。
缺点是由于转速基本恒定，而风速经常变化，因此风力发电机组经常工作在风能利用系数(Cp)较低的点上，风能得不到充分利用。
变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机。
变速运行方式通过控制发电机的转速，能使风力机的叶尖速比接近最佳值，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率。
(4) 发电机的类型
目前，市场上主流的变速变桨恒频型风电机组技术分为双馈式和直驱式两大类。
双馈式变桨变速恒频技术的主要特点是采用了风轮可变速变桨运行，传动系统采用齿轮箱增速和双馈异步发电机并网，而直驱式变速变桨恒频技术采用了风轮与发电机直接耦合的传动方式，发电机多采用多极同步电机，通过全功率变频装置并网。
直驱技术的最大特点是可靠性和效率都进一步得到了提高。
还有一种介于二者之间的半直驱式，由叶轮通过单级增速装置驱动多极同步发电机，是直驱式和传统型风力发电机的混合，但是该类产品还不是很成熟，因此本工程不推荐。
双馈式：交流励磁发电机又被人们称之为双馈发电机。
双馈风电机组中，为了让风轮的转速和发电机的转速相匹配，必须在风轮和发电机之间用齿轮箱来联接，这就增加了机组的总成本；而齿轮箱噪音大、故障率高、需要定期维护，并且增加了机械损耗；机组中采用的双向变频器结构和控制复杂；电刷和滑环间也存在机械磨损。
目前，世界各国正在针对这些缺点改进机组或研制新型机组，如无刷双馈机组。
永磁直驱风电机组，就是取消了昂贵而又沉重的增速齿轮箱，风轮轴直接和发电机轴直接相连，转子的转速随来流风速的变化而改变，其交流
电的频率也随之变化，经过大功率电力电子变频器将频率不定的交流电整流成直流电，再逆变成与电网同频率的交流电输出。
表5.1.1.1-2 双馈型与直驱型风力发电机组的特性比较
双馈式风力发电机组的特点是采用了多级齿轮箱驱动有刷双馈式异步发电机。
它的发电机的转速高，转矩小，重量轻，体积小，变流器容量小，但齿轮箱的运行维护成本高且存在机械运行损耗。
直驱式风力发电机组在传动链中省掉了齿轮箱，将风轮与低速同步发电机直接连接，然后通过变流器全变流上网，降低了机械故障的概率和定期维护的成本，同时提高了风电转换效率和运行可靠性，但是电机体积大、价格高。
永磁直驱虽然发电机体积大、成本高，但由于省去了昂贵的齿轮箱，电能生产的机械传动路径缩短了，避免了因齿轮箱旋转产生的机械损耗、噪声以及材料的磨损甚至漏油等问题使机组的工作寿命更有保障，也更适
合于环境保护的要求；发电机外围面积大，易散热，由于没有电励磁，转子损耗近似为零，可采用自然通风冷却，结构简单可靠；交流一直流一交流变频装置可以根据要求进行有功功率、无功功率及频率输出的任意调节，谐波分量低，具有很强的低电压穿越能力，以适应电网扰动，实现高效率发电。
由此可以看出，永磁材料的使用使直驱风电机组的优势更加突出。
永磁直驱同步发电机系统存在的缺点是：对永磁材料的性能稳定性要求高，电机重量和成本增加。
另外，IGBT逆变器的容量较大，一般要选发电机额定功率的120％以上。
永磁直驱风电机组的设备总价比双馈风电机组的高，双馈机组在价格上占有一定的优势，但总体价格相差并不是很大。
从维修成本来看，直驱型占有相当大的优势。
风力发电机风轮的受力状况极为恶劣，经常在急剧变化的重载荷下连继运行数十小时，采用双馈型机组时，风轮所受到的各种载荷都通过主轴直接传递给齿轮箱的低速轴，所以齿轮箱成为故障率最高的部件。
有的风场齿轮箱损坏率高达40％～50％，个别品牌的齿轮箱更换率几乎接近100％。
以大坂城风电场一场为例，由齿轮箱故障或损坏导致的直接电量损失年均约15万kW.h，占非常规维护工作量的40％以上。
结论：
1）双馈风电机组具有很高的性价比，尤其适合变速恒频风力发电系统，因而在未来一段时间内仍然是风电行业的主流机型。
2）永磁直驱风电机组可靠性高、运行维护简单；电网运行质量大大提高。
在技术经济条件成熟时，永磁直驱风电机组有望成为风电领域更受欢迎的产品。
目前，由于双馈风电机组技术十分成熟，生产厂商较多，业主选择性更强，运行经验丰富，仍是风电场开发的主流机型。
而直驱风电机组技术尚未完全成熟，国内生产厂商较少，有些机型还处在设计研发阶段，并且已投人运行的机组运行时间较短，其性能、工艺质量尚需时日考验，更大兆瓦级直驱风电机组仍需在结构、材料、工艺等方面进一步研究。
此外，使用性能更好的变流器才会有更好的前景。
直驱风电机组是近几年发展起来的新型机组，代表了未来风电技术的发展方向。
随着永磁新材料的使用，新结构发电机和电力电子变流器的结
合，有望大幅减少大功率低速直驱风电机组的空间尺寸，可以预见直驱风电机组尤其是永磁直驱风电机组的市场占有率将不断增长。
从国外技术发展上来看，采用永磁直驱技术是大型风力发电产品发展必然的趋势，而且稀土永磁材料在我国的储量最大，原材料成本远小于国外，更应该考虑采用永磁直驱技术。
必须注意的是永磁电机占直驱机组的成本31％，而双馈电机只占双馈发电机组的6％，这样的话采用直驱式风力发电机组的方案利润空间会更大。
(5) 风电机组的机组性能应满足场址区特殊环境、气候等条件要求
怀宁属北亚热带湿润气候区，气候特点为四季分明、日照充足、热量丰富、雨量充沛、无霜期长，年平均温度16.4℃、历年极端最高气温：39.9℃、历年极端最低气温：-15.1℃。
因此，风机的选择可采用常温型机组。
根据国家电网公司关于《国家电网公司风电场接入电网技术规定(修订版)》，结合风电场输电特点、场区地形、地貌、地质条件、机组安装及运输等因素，提高土地综合利用率，本工程选用直驱型和双馈型风力发电机进行经济比选。