岳莹，王智科
（远景能源（江苏）有限公司，上海200051）
摘要：为实现绿港口建设目标，降低污染物排放及用能成本，研究、设计适用于港口
的分布式风力发电系统。利用港口的天然风资源优势，在港口内建设分布式风电，其生
产的绿电能供港口生产直接使用；通过因地制宜的机位选址及机型选择规则保证容
量及发电量，适配港口定制的电气接入设计方案及系统监控方案，保证建设和生产的高
效性；综合布局分布式可再生综合能源，形成多能互补，进一步推进港口绿智能化转
型。该系统预计可降低港口用电成本10%~20%，降低污染物及碳排放量50%以上。
关键词：绿港口；分布式风电；江阴港
0引言
近年来，社会牢固树立和践行“绿水青山就是金山银山”的理念，低碳环保已成为各行业生产消费的重点原则。交通运输部发布《深入推进绿港口建设行动方案（2018—2022年）》（征求意见稿），大力推进绿港口建设，计划到2022年我国港口绿发展水平整体处于世界前列。
为深化绿港口改革，在用能方面，港口面临以下挑战：一是港口能源供给主要以柴油、传统火电、天然气为主，需要提升可再生能源占比，优化供给侧结构，降低污染物排放量；二是岸桥、岸电、港作机械等日常生产所需电量消耗巨大，电费支出高昂，需要有效降低港口用电成本。
分布式风电作为近年来国内兴起的可再生能源形式，具有环保、经济、先进、实用等特点，可有效助力港口减排、降低用能成本、优化能源结构，打造绿先进的新时代港口。
1分布式风电相关理论
1.1风力发电原理
风力发电是指利用风机发电机，将风的动能转化为机械能，再将机械能转化为电能利用的能源形式。分布式风力发电机主要组成部件见图lo Z叶片
图1分布式风力发电机主要组成部件
风吹过叶片时形成正反面的压差，该压差会产生升力，令叶轮旋转并不断横切风流。机舱上安装的探测器探测风向.并通过转向机械装置令机舱和叶轮自动转向对风。叶轮的旋转运动通过齿轮箱传递到机舱内的发电机并带动发电机发电，变压器可提升发电机的电压到配电网电压。分布式风力发电机并网结构示意图见图2o
•33•
港口科技•绿港口 ____—
截至2017年底，我国风电累计装机容量1.64 亿kW，占全国电源总装机容量的9%。在一些欧洲
发达国家，风电发电量已超过全国电力总产量的 40%o 风电已成为绿、经济、安全、成熟的主流新 能源。
1.2分布式风电概念
按照生产电力的消纳模式进行分类，风电可
分为集中式风电和分布式风电。
集中式风电：一般是大型电站，与公共电网相 连并由电网单位统一调配。其对土地资源和电网
设施要求较高，前期资本投入较大，大多建设在地 广人稀的区域。
分布式风电：一般是小型电站，所产生电力可 自用，也可上网并在配电系统平衡调节。其对土地 资源和电网设施要求较低，前期资本投入相对较
小，可建设在田间地头、园区工厂等闲置土地上。 分布式发电的利好是既能降低发电的碳排放量， 又能降低用电成本。
本文研究的港口风力发电建设属于自发自用
的分布式发电。
1.3分布式风电场系统组成
分布式风电场系统组成见表lo
2应用及案例分析
2.1港口建设分布式风电的可行性
2.1.1收益性
分布式风电场作为投资电场的一种形式，其 20 ~25 a 生产期的经济性主要由项目发电量和工 程造价决定。项目规模及特性在一定程度上决定 工程造价，发电量由港口年平均风速及所选机型
发电能力决定。
我国沿海及内河分布着数百个港口。由于陆 地土壤热容量比海水、江河热容量小，该热容量差
表1分布式风电场系统组成序号
名称功能
1
风力发电机
将风能转换为电能的发电设备2塔筒
风力发电的塔杆，在风力发电机组中 主要起支撑作用，同时吸收机组振动
3箱式变电站
将风机出口电压升压至10 kV/35 kv 等配电网电压，并起开关保护等功能
4
风机基础
实体重力式基础，固定、支撑风机，耐酸碱保护膜
并承受风机受到的各种力和力矩5
集电线路将风机生产的电能输送至配电房或
开关站的线路，通常分为架空和地埋
两种型式
6
开关站
电能汇集站，负责分配高中压电能，
并有通信、保护、监控、无功补偿等功能；
也可通过改造已有配电室、塔筒内集成
等方式实现对开关站的功能性替代
异造成的气压差形成海陆风，这使得港口在风资
源上有着先天优势。目前可利用的年平均风速在
4.8m/s 以上，根据风资源专用平台格林威治全国 风资源图谱，山东、辽宁、江苏、浙江、广东等港口密
集省份沿海港口年平均风速多介于5.5-8.0 m/s,
内陆沿江港口风速也大多在5 m/s 以上，属于低风 速区域优质风资源，相应年平均满发小时数在
2 500 ~
3 800 h，适配单机容量2 500 kW 的机型每
折叠麻将桌年单机生产电量可达到625万-875万kW-h o
以上海洋山港为例，该港口位于距离陆地
27 km 的海岛上，其年平均风速为7.8 m/s o 若布
置5台单机容量2 500 kW 的机型年发电总量为
4 600万kW-h，以50%的自发自用率计算每年 可供给港口 2 300万kW-h，节约用电成本数百 万元，其余电量按照0.57元/(kW-h)的标杆上
网电价售给电网，年CO?减排量2.07万t 。
从收益角度出发，不论是港口自行投资建设,
• 34
•
港口科技•绿港口
还是通过合同能源管理的形式零投资受电，建设
分布式风电具有良好的经济效益与社会效益，可
实现：
①降低用电成本10%~20%。
②降低用能污染物及碳排放量50%以上。
③丰富能源结构，提升绿能源占比。
④定制化外观设计可带来宣传示范效应。
2.1.2可建设性
分布式风电属于发电工程，其生产期为
20-25a，需要长期占据一定的土地。港口陆地土
地常设置岸桥、堆场、仓库、运输车辆、通行道路等
设备设施，其堆场通常占据港口80%以上的土地，
属于露天空旷的可建设土地。
分布式风电占地分为长期占地和临时占地。
长期占地主要是风机地基础占地，为半径10m的
圆，面积约为314n?。分布式风力发电机基础剖
面图和平面图见图3。风机建成后地下为基础，地
面塔筒占地仅20n?，基础地面区域不承受重压可
led台灯转轴满足常规使用。在通常情况下，分布式风电的建
设占地不到大中型港口堆场面积的丁•分之一，港
口建设具备可行性。临时占地主要是风机安装过程中的占地，主要包括吊车占地、塔筒及风机大部件堆放占地。临时占地时间约5~7d，占地面积约1500n?。分布式风力发电机安装占地的摆件见图4。临时占地由于时间短、占地少，不会对港口的生产作业造成影响。
从建设角度出发，港口场区满足分布式风电建设要求，分布式风电的建设也不会对港口作业造成影响。
2.2设计方法
港口建设分布式风电场需要根据港口的具体场地条件、风资源条件和配电条件等选择适宜的机位及机型。机位和机型决定风电场容量及发电量，接入方案决定电气接入的适应性，系统监控方案影响运维生产质量。分布式风电场主要设计逻辑示意图见图5。
2.2.1机位选址
在港口堆场，分布式风机机位选址需遵循以下原则：
(1)满足港口规划，不占用已规划建设土地。
(2)所选机位土地面积满足基础320n?的长期占地、近1500m2的临时施工占地。
(3)考虑机位间安全性及尾流损失，两机位间
b)平面图
图3分布式风力发电机基础剖面图和平面图
2券：祥藝
面枳:622.22n?
图4分布式风力发电机安装占地的摆件
图5分布式风电场主要设计逻辑示意图
・35
・
港口科技•绿港口 —最小间距为300-350 m 。
(4)为保证生产稳定性及遵守公共单位相关 规定，机位选择需考虑构建物建议避让距离。分布
式风机距建(构)筑物、公共设施建议距离见表2。
表2分布式风机距建(构)筑物、公共设施建议距离
区域类别
邻近风机建(构)筑物、公共设施I 最小避让距离/m I 类
居民住宅、医院、学校、办公
大楼、科研单位、宾馆酒店等人
员密集区域
300
II 类
铁路、高速铁路、高速公路、
甘蔗去皮机
军事设施及其他重要公共设施
150
III 类一级公路、国家公路(国道)、
lit) kV 以上高压架空输电线路 (220 kV/500 kV)
100
IV 类
工业厂房、化工园区、仓储物 流等、二级公路、省公路(省
道)、城市主干路、11() kV 架空 输电线路
5()
V 类
三级公路、县公路(县道)、专
用公路、城市次干路及其他低
等级公路、11()kV 以下架空输
电线路(35 kV/10kV)
30
以江苏江阴港#5码头、#6码头为例，该港
口堆场主要用于堆放矿石，其2.0 km 2 3的占地面积 共选出9台机位，长期占地约2 866.7 n?，利用土 地占比仅0.14%。江阴港选址机位布置图见图6。
2.2.2机型选择
(2) 根据机位风切变选择对应塔筒高度，常 用塔筒高度包括90 m JOO m J20 m J40 m 和
150 m 等。风切变表示风速在空中垂直距离上的 变化，风切变越大，风速随高度增长的增加越明
显。通常在高剪切地方选用更高的塔筒，以获得 更好的收益。我国平原高剪切地区包括江苏、安
徽、山东、河北等省份。不同风切变的推荐塔筒高 度见表4。(3) 风机应配置除传统监控传感器以外的先
风机作为港口分布式风电场的核心组成，其
厂家及型号选择直接决定发电量、项目收益、可
图6江阴港选址机位布置图
靠性等重要指标。面对不同的场景需对应选择相
应的机型，实现港口自发自用收益最大化。通过 风资源评估，在计算出机位年平均风速、极限风
电梯五方通话系统速等参数的情况下，在机型及配置选择上主要参 考以下方法：
(1)根据机位年平均风速、极限风速选择相对 应设计值的机型，在该设计风速值左右，该机型具
备最佳发电性能及经济性。分布式风力发电机主 流机型见表3。在港口风速区间内，适配国内主流 优秀风机机型，型号前端数字代表风机叶轮直径,
型号后端数字代表风机单机容量，例如机型
131/2.2表示叶轮直径131 m，单机容量2.2 MW 的
风机。
表3分布式风力发电机主流机型
机型
EN-121/2.5EN-131/2.2EN-141/2.8EN-141/2.5EN-141/3.0EN-141/3.6
额定功率/kW 2 5002 2002 8002 5003 0003 600设计平均风速/(m/s)7.56 6.5
67
8
・36・
表4不同风切变下推荐塔筒高度
剪切值
推荐塔筒高度/m
<0.1290
W0.12~v0.18
100,120
M0.18140,150
进传感技术，全方位实时监控风机的运行状态、健
烫毛机康状态，保证生产的可靠性、稳定性。风机配置先
进传感技术见表5O 主要传感器位置见图7
O
港口科技•绿港口
表5风机配置先进传感技术
先进传感技术功能
前馈激光雷达测风
通过测量风轮前一定距离的风况信息，提前感知自由来流风的各种变化，在传统反馈控制
环的基础上引入前馈控制环
叶片在线健康监测
直接输出的物理量为风机运行的声音信息，基于该数据，通过算法分析，可实现对三支叶片 健康状态的实时监测，为风机故障预防预警提供有效输入
塔基及塔筒在线监测
利用独特技术满足基础不均匀沉降监测和塔筒安全监测的要求，并可预测风电机组塔基及
塔筒的趋势，做到及时预警及在线监控健康状况
齿轮箱油液颗粒计数传感
通过采用磨粒探测技术，实时监测齿轮油中的金属磨损颗粒变化情况，及时发现齿轮箱磨
损隐患
关键连接机器视觉巡检
通过脉冲机器视觉的监测方案，实时反馈关键连接部位连接状况
螺栓机器视觉巡检
前置激光测风雷龙
器
主轴承溫度传 主轴承掘动C
机舱内温度传感器
发电机振动CMS 传感器
/齿轮箱振动CMS 传感器/齿抡箱油液颗粒计数传感器
机舱外温度传感器
高/低速转速传感器
机舱振动传感器
图7主要传感器位置
2.2.3接入设计
分布式风机接入港口配电房需满足的接入功
能要求，主要包括开关功能、无功补偿功能、继电 保护功能、监控功能、调度功能和消防功能等，通
常需要进行配电房改造增加电气设备或者新建 开关站。在配电房可改造的条件下，综合考虑改
造成本，优先选择改造配电房的设计方案，其次
选择新建开关站，以降低接入成本。电气设备的
增加与布置需要结合配电房已有设备及电网要
求进行设计。
目前开关站设计方案分为传统预制站方案、
舱体集成方案和塔内集成方案。3种接入方案对 比见图8。相对于传统预制站方案.舱体集成及塔 内集成方案具有集成度高、占地小、成本低、适应
性好等优势，应优先选择。
2.2.4系统监控
在港口内，生产发电的分布式风机需具备高 可靠性及自动化集控功能，系统监控方案设计应 满足如下要求：
（1）能对风电场设备（包括风电机组、箱变，开 关站、关口表等）进行监测与控制，对数据进行采
集和存储，基于统一的监控平台进行风电场实时
• 37 •
港口科技•绿港口
图83种接入方案对比
监测控制和报警。
(2)系统支持公司内部要求的每日发电量统计，场用电与线损统计，运行方式自动统计，风机故障台数与台次统计等常用报表自动生成。
(3)在任意时间段内，风电场的实际发电量、理论应发电量、损失电量情况以及如何减少损失电量是风电场管理的核心问题，以计算风场损失电量为核心，为风电场的管理指明改进方向，并提供EBA能量可利用率作为衡量风场运营水平的考核指标。
2.3案例分析
江苏江阴港分布式风电场共并网风机9台，包含单机容量2200kW、2500kW、3000kW的多类机型，总容量21500kW，其生产电力供港口#5码头、#6码头日常生产自用，多余电量售给电网，项目总占地约2866.7n?，仅占码头土地的0.14%。该项目由能源投资商提供建设，江阴港提供建设用地，所生产电力由企业以低于电网工业用电价格售给江阴港。
江苏江阴港一期3台机位7700kW分布式风电场于2018年5月20日并网发电，并网半年以内稳定运行，截至11月31日累计发电760万kW-h，其中333万kW-h由港口消纳，自发自用率为•38•43.8%，其间#5码头总用电量为538万kW・h，绿电占比为66.5%，属于国内领先绿能源使用港口。
该项目预计每年为港口节省用电成本超过10%，减少CO?排放量4.5万t，优化能源消费结构，提升污染防治和绿管理能力。
2.4分布式可再生综合能源
港口作为高耗能工业园区，除建设分布式风电生产绿经济电能外，可综合布局包括分布式光伏、分布式风电、分布式储能和智能配电系统等绿可再生能源，建设形成多能互补.根据设备用电需求进行智能调度和智能排产，并为港口售电组合交易提供最优策略，旨在为港口提供经济、安全、绿、可扩展的能源，可为港口实现10%~20%的综合用能降本，推进港口能源消费供给系统在向智能化转型。
3结论
本文结合分布式风力发电原理及港口用能、实际环境特点，研究、设计适合绿港口建设的分布式风力发电系统，并且成功应用于实际的绿港口项目建设。分布式风电的建设可降低港口用能成本，减少污染物排放，优化能源消费结构，助力推进全国绿港口改革进程
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