CN102116257B - 一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法 - Google Patents

一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤：根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。采用该方法可对平原型风力发电机组进行简单高效地设计、改装，就可以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，从而可在较低的成本下研发出适用于高海拔地区的风力发电机组。

Description

一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法
技术领域
本发明涉及风力发电技术，尤其涉及一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法。 
背景技术
风能作为一种清洁能源，在国际上的节能减排中的地位日益重要，而作为风能与电能的能量转换装置——风力发电机组，在我国的制造业中起到越来越重要的作用。 
我国目前已开发的风电工程项目，90％以上集中在非高海拔地区，而作为风资源相对较好的西部高海拔地区，如青海、西藏、云南等区域，目前尚未实现装机或只有少数装机，因而已开发的风电工程项目很少。也就是说，目前我国适用于非高海拔地区的平原型风力发电机组的技术很成熟，而适用于高海拔地区的风力发电机组则较少，尤其是MW级以上的高海拔风力发电机组还处于空白状态。 
而且，在已开发的高海拔地区风电工程项目中使用的均是平原型风力发电机组，由于高海拔地区的环境条件与平原地区有较大差别，例如气温较低、空气密度较小等，因此如果直接应用平原型风力发电机组会存在许多问题。例如，由于随着海拔高度的增加，空气密度随之减小，当海拔高度为3000m时(平均气温15℃)，空气密度为0.848kg/m3，而机组的功率曲线受空气密度影响很大。请一并参考图1、图2和图3，图1为型号是82/1500的平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区的功率曲线对比图，其中，型号82/1500是指风力发电机的叶轮直径为82m，额定功功率为1500KW(本文中其他型号的含义均与此相似)，曲线1为平原地区的功率曲线，曲线2为海拔3000m时的功率曲线。如图1所示，当该平原型风力发电机组工作于高海拔地区时，其额定风速由工作于标准空气密度下的 10.3m/s增加到了13.1m/s。图2为叶片受力分析示意图，其中，V为风速，U为叶轮线速度，α为攻角，dFn为叶轮所受的轴向推力，dFt为叶轮所受的旋转切向力。如图2所示，当叶轮转速不变，风速增大时，攻角α随之增大，叶轮所受推力dFn也增大。对于叶片而言，当攻角α较大时，气流与叶片发生分离，叶片的升阻比在达到最大值后会迅速减小，叶轮气动功率随着风速的增加而不再增加反而降低，此刻叶片处于失速状态。因此，额定风速的增加将增大叶轮所受的轴向推力，而增加到一定程度便可能使叶片进入失速状态。 
图3为型号是82/1500的平原型风力发电机工作于高海拔地区(大于3000m)时的功率曲线图。如图3所示，当海拔继续升高，空气密度继续降低时，该平原型风力发电机组会因叶片攻角持续增大而无法达到额定功率并进入失速状态，从而导致出现风力发电机组被吹倒的灾难性事故。这是因为：目前大部分风力发电机组均为变速变桨型机组。对于变速变桨机组而言，失速状态是风力发电机组的非稳定工作状态。因为风力发电机组在额定风速以下是变转速工作，以使风力发电机组的功率系数达到最优；在额定风速以上则通过改变叶片的桨距角以使风力发电机组的功率保持在额定功率并减小风力发电机组的推力载荷，也就是说，在风力发电机组未达到额定功率时，叶片的桨距角不会改变。当风力发电机组在高海拔地区工作时，风力发电机组由于空气密度的减小而导致输出功率降低，而且风力发电机组的叶轮有可能在叶片失速前无法达到额定功率，此时叶片的桨距角不会主动改变。随着风速的继续增加，叶片进入深度失速状态，此时，由于变桨控制系统无法根据叶轮的气动功率判断叶片的桨距角，导致风力发电机组无法正常工作。另外，风力发电机组推力载荷随风速的增加而持续增大，容易导致风力发电机组被大风吹倒的灾难性事故。 
由此可知，直接将平原型风力发电机应用到高海拔区域存在许多问题，面对国内乃至世界上高海拔区域理论可开发容量和工程可开发容量巨大、且具有规模化开发的资源条件和环境条件的现实情况，迫切需要开发出能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，而且是MW级以上的风力发电机组。 
发明内容
本发明的目的就是针对在高海拔地区直接采用平原型风力发电机组时存在的上述问题，提供一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，通过改变现有平原型风力发电组的叶轮系统，使采用新叶轮系统的风力发电机组能够在高海拔地区稳定工作，该方法可将平原型风力发电机组应用于高海拔地区，并避免其进入深度失速状态而导致灾难性事故。 
为此，本发明提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤：1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定转速所述额定转速的具体数值可通过实验获得。 
作为本发明的另一个方案，还提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤：1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：在保持所述平原型风力发电机组叶轮系统额定转速不变的前提下，根据所述额定风速，在所述平原型风力发电机组上采用高叶尖速比的叶轮，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。优选地，所述叶尖速比大于或等于9。 
作为本发明的另一个方案，还提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤：1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额 定风速；2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，同时增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定转速和叶轮的叶尖速比。所述额定转速可通过实验获得。 
作为本发明的另一个方案，还提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤：1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，将低额定功率的所述平原型风力发电机上的叶轮系统改为高额定功率的叶轮系统。例如，在额定功率为1.5MW的平原型风力发电机组上采用额定功率为2MW的风力发电机组的叶轮系统。 
相对于现有技术，本发明具有如下有益效果： 
采用本发明提供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，只需要在平原型风力发电机组上采用增大叶轮额定转速和/或采用高叶尖速比的叶轮的方法，就可提高风力发电机组在过渡风速阶段的出力性能，并且可相应地降低额定风速，从而可以基于平原型风力发电机组快速获得能够在高海拔地区的稳定工作的高海拔地区风力发电机组，进而提高了设计和生产的效率，并节省了人力及物力成本。也就是说，采用本发明提供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，对平原型风力发电机组进行简单高效地设计、改装，就可以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，从而可在较低的成本下研发出适用于高海拔地区的风力发电机组。 
附图说明
图1为型号是82/1500的平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区的功率曲线对比图； 
图2为叶片受力分析示意图； 
图3为型号是82/1500的平原型风力发电机工作于高海拔地区(大于3000m)时的功率曲线图； 
图4为某种叶片的功率系数与叶尖速比的关系曲线图； 
图5为不同转速下的风力发电机组的功率系数与风速关系曲线图； 
图6为不同转速下风力发电机组功率与风速的关系曲线图；以及 
图7为不同叶轮直径风力发电机组的功率与风速关系曲线图。 
具体实施方式
为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法进行详细说明，其中，本发明所述高海拔地区是指海拔2000m以上的地区，以下实施例以海拔3000m为例。 
本发明第一实施例提供的技术方案为提高叶轮系统的额定转速。 
如表1所示，海拔高度/空气密度对风能密度有较大影响。由于空气密度影响风能密度，当空气密度降低时，风能密度也降低，而风能密度直接影响风力发电机组的输出功率。如果平原型风力发电机组要在高海拔地区达到其额定功率，在其它条件不变的情况下，其额定风速必然增大。然而，当额定风速增大时，风力发电机组又存在由于叶片攻角持续增大而无法达到额定功率并进入失速状态，从而导致风力发电机组被吹倒的灾难性事故的问题。 
表1海拔高度/空气密度对风能的影响(气温15℃) 
  海拔高度(m)   0   1000   2000   2500   3000   3500   4000
  空气密度(Kg/m3)   1.225   1.088   0.961   0.905   0.848   0.797   0.746
  风能密度减少(％)   /   11.2   21.6   26.2   30.8   34.9   39.1
为了避免风力发机组由于额定风速增大而无法达到额定功率并进入失速状态，需要提高风力发电组在过渡阶段的出力性能。如图4所示，风力发电机组的功率系数同叶轮的叶尖速比的函数关系，该函数关系只与叶片有关。由图4可知，当叶尖速比为某一确定值时，功率系数达到最大，而功率系数越大，则风力发电机组的功率输出就越大，因此在达到额定风速以前，可根据最佳叶尖速比调整叶轮转速，以达到最大的功率系数，在接近额定风速时叶轮达到额定转速并保持不变直到机组的功率达到额定值。 
风力发电机组的叶轮设计叶尖速比λ是叶轮的一个重要参数，它指的是叶轮的叶片叶尖线速度与来流风速的比值： 
λ = ωR v
其中，ω为叶轮转速，R为叶轮半径，v为风速。 
由上述公式可知，当设计风速不变时，可提高叶轮的额定转速，从而提高风力发电机组在过渡风速阶段(即额定风速-2～额定风速)的出力性能(输出功率)。对于相同的叶片，叶轮转速越高，机组在临近额定风速时气动功率越好。为了避免风力发机组由于额定风速增大而无法达到额定功率并进入失速状态，在满足机组载荷的前提下应尽量提高叶轮转速。 
请参阅图5，其为不同转速下风力发电机组功率系数与风速的关系图。其中，曲线1’为17.3rpm转速下的功率系数与风速的关系曲线，曲线2’为17.8rpm转速下的功率系数与风速的关系曲线，曲线3’为18.2rpm转速下的功率系数与风速的关系曲线。如图5所示，当转速增大时，风力发电机组在过渡阶段的功率系数增大，从而其在过渡风速阶段的出力性能也增加。 
请参阅图6，其为不同转速下的风力发电机组的功率与风速的关系曲线图。其中，曲线4为17.3rpm转速下的功率曲线，曲线5为17.8rpm转速下的功率曲线，曲线6为18.2rpm转速下的功率曲线。如图6所示，风力发电机组的转速越高，则风力发电机组在过渡阶段的出力性能越高，并且，当转速增大时，风力发电机组的额定风速会减小，因此提高转速可避免风力发电机组由于额定风速增大而无法达到额定功率并进入失速状态的情况出现，从而避免灾难性事故。 
由于提高叶轮转速的前提是风力发电机组的整机载荷满足设计要求，所以为了在提高额定转速的同时不超过整机载荷设计要求，需要通过实验方法确定额定转速的具体数值，并且该数值的大小与当直接将平原型风力发电机组应用于高海拔地区时该机组的额定风速有关。 
作为本发明第一实施例的变型例，本发明第二实施例提供的技术方案为提高叶尖速比即采用高叶尖速比叶片。 
由上述叶尖速比的公式可知，对于相同半径的叶轮，在转速一定时，采用高叶尖速比叶片可以提高叶轮在低风速区即在额定风速以下时的出力性能，从而提高风力发电机组的功率输出，避免风力发机组由于额定风速增大而无法达到额定功率并进入失速状态。叶尖速比的具体值与该高海拔地区的空气密度降低比率和当直接将平原型风力发电机组应用于高海拔地区时该机组的额定风速有关。在本实施例中，优选地，在风力发电机组上采用叶尖速比为9以上的叶片。 
需要说明的是，在实际使用中，可同时使用本发明第一实施例和第二实施例提供的技术方案，即在增大额定转速的同时采用高叶尖速比叶片，而额定转速和叶尖速比的具体数值可通过实验获得。 
如表1所示，海拔高度对空气密度有重要影响，高海拔地区的空 气密度要小于平原地区，而风力发电机组的功率输出与风能密度密切相关。如图1所示，相同风速，工作在海拔地区(海拔3000m)的风力发电机组的功率输出比工作在平原地区的同型号风力发电机组的功率输出降低30％左右，风力发电机组的功率输出将受到极大的影响，从而大大降低风力发电机组在高海拔地区工作时的年发电量。 
为此本发明第三实施例提供的技术方案，不仅要提高风力发电机组在高海拔地区工作时的稳定性，还要提高其在高海拔低区工作时的年发电量。因此本实施例提供的技术方案在增大叶轮额定转速或采用高叶尖速比叶片的同时，还增加叶轮的直径。 
这是因为，风力发电机组的功率输出与空气密度和叶轮扫风面积成正比，因此可以通过增加叶轮扫风面积即增大叶轮直径的方法弥补空气密度降低带来的功率损失，此外，增大叶轮直径同时也能提高风力发电机组在过渡风速阶段的出力性能。 
目前国内运行的主流风力发电机组是额定功率为1.5MW的风力发电机组，其叶轮直径有70m、77m、82m，分别对应IECIA、IECIIA、IECIIIA三类标准风区，均为平原型风力发电机组。为了便于描述，下面以叶轮直径82m机组为例，说明本实施例提供的技术方案。 
如图7所示，曲线7为型号是82/1500的平原型风力发电机工作于海拔3000m时的功率与风速关系曲线，曲线8为型号是84/1500的风力发电机工作于海拔3000m时的功率与风速关系曲线，曲线9为型号是87/1500的风力发电机工作于海拔3000m时的功率与风速关系曲线。由图7可知，叶轮直径越大，则风力发电机组在额定风速以下的出力性能即功率输出越高，并且，当叶轮直径增大时，风力发电机组的额定风速也会减小，因此增大叶轮直径在提高功率输出和年发电量的同时还可避免风力发电机组由于额定风速增大而无法达到额定功率并进入失速状态的情况出现，从而避免产生灾难性事故。 
然而，在设计叶轮时，首先需要考虑机组的载荷，并不能无限制地增大叶轮直径。风力发电机组工作在高海拔地区时，如果空气密度降低22％，在叶轮参数不变的前提下，则机组载荷降低22％，即整机的载荷裕量增加22％，因此可将增加的裕量转化为叶轮直径。对于风 力发电机组而言，当叶轮直径增大时，不仅风力发电机组的功率、风力发电机组所承受的推力、气动载荷与离心力增大，叶轮的转矩、风力发电机组的重量也相应增大，因此为了在增加叶轮直径的同时不超过风力发电机组的载荷，当整机的载荷裕量增加22％时，叶轮直径可以增加6％～7％，即在本实施例叶轮直径可以由82m增加到87m～88m，例如87m。由图7可知将叶片延长使叶轮直径由82m增加到87m，也就是使叶轮直径增加6％、整机载荷增加22％后，叶轮直径增加后的风力发电机组在额定风速以下功率显著提高，可以有效地提高风力发电机组在过渡阶段的出力性能，并且不会超出风力发电机组的整机载荷。 
本发明第四实施例提供的技术方案为对大功率叶轮系统采用降容使用。这是因为对于相同气动外形的叶片，额定功率的不同意味着叶片气动载荷不同，额定功率大的气动载荷大，并且出力性能好，因此将大功率系统的叶轮系统进行降容使用也可提高机组在过渡阶段的出力性能，从而避免机组由于额定风速增大而无法达到额定功率进入失速状态，进而避免产生灾难性事故。在本实施例中，具体地，将额定功率为2MW风力发电机组的叶轮系统应用于额定功率为1.5MW的风力发电机组上，从而使其能在高海拔地区稳定工作。当然在实际应用中，由于大功率叶片的重量问题会使小功率机组的起动风速增大并且会增加整机载荷，具体采用何种型号的高功率机组进行降容使用，可根据该海拔地区的空气密度降低比率和直接将平原型风力发电机组应用于高海拔地区时该机组的额定风速来确定，其基本原则是既能提高机组在过渡阶段的出力性能，又不超出机组载荷的承受范围。 
由本发明的上述实施例可知，为了提高高海拔地区风力发电机组的稳定性，可根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；然后根据所额定风速改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统，具体包括增大叶轮额定转速、采用高叶尖速比的叶片、增大叶片直径以及对大功率叶轮系统采用降容使用，其具体实施方式如前所述，在此不再赘述。 
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采 用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。 

Claims (6)

1.一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其通过改变现有平原型风力发电机组的叶轮系统而获得可在高海拔地区稳定工作的高海拔地区风力发电机组，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；
2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定转速。
2.一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其通过改变现有平原型风力发电机组的叶轮系统而获得可在高海拔地区稳定工作的高海拔地区风力发电机组，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；
2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：在保持所述平原型风力发电机组叶轮系统额定转速不变的前提下，根据所述额定风速，在所述平原型风力发电机组上采用高叶尖速比的叶轮。
3.如权利要求2所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，所述叶尖速比大于或等于9。
4.一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其通过改变现有平原型风力发电机组的叶轮系统而获得可在高海拔地区稳定工作的高海拔地区风力发电机组，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；
2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，同时增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定转速和叶轮的叶尖速比。
5.一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其通过改变现有平原型风力发电机组的叶轮系统而获得可在高海拔地区稳定工作的高海拔地区风力发电机组，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；
2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组；改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统的方式为：根据所述额定风速，将低额定功率的所述平原型风力发电机上的叶轮系统改为高额定功率的叶轮系统。
6.如权利要求5所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在额定功率为1.5MW的平原型风力发电机组上采用额定功率为2MW的风力发电机组的叶轮系统。
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