CN102235314B - 复杂地形下提高风能利用的方法 - Google Patents

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Abstract

提出了一种复杂地形下提高风能利用的方法，属于风力发电场工程设计技术领域，所述方法包括：步骤S1，获得风电场内各风电机组位置处50年一遇最大风速和平均风速数据；步骤S2，根据步骤S1中获得的数据，确定各风机是否满足安全性要求；步骤S3，根据步骤S2确定的结果，在满足安全性要求的范围内调整各风机的风轮直径和轮毂高度。本方法解决了当前风电场设计无法在满足安全性要求的情况下获得最佳发电量的技术问题。

Description

复杂地形下提高风能利用的方法
技术领域
本发明属于风力发电场工程设计技术领域，尤其涉及一种复杂地形下提高风能利用的方法。
背景技术
根据IEC 61400-1：2005[1](国际电工技术委员会标准)的规定，50年一遇10分钟最大风速和平均风速是决定风电机组极限载荷和疲劳荷载的关键指标，也是风电场开发中风电机组选型和经济效益评估的关键指标之一。空气流动的动能作用在风力机风轮上，推动风轮转动变成电能，风轮直径越大发电量越多，但承受极限强度越大。国标《风力风电机组安全要求》(GB18451.1-1)根据风电场风速和湍流参数，将风电机组分为Ⅰ～Ⅳ级安全等级，Ⅰ级为最高，承受最大风速也最大。风电机组制造商主要通过改变风轮直径来满足风电机组安全要求，Ⅰ级风电机组风轮直径相对最小。
在复杂地形(高差较大的山地)风速随相对高度变化比较显著，不同高度位置处的风速有较大差别，相对位置较高处的最大风速和平均风速较高，但为保证风电机组安全，往往通过减小风电机组风轮直径来满足风电机组安全要求，这样风电机组发电量降低很多，没能充分利用风能资源。例如根据50年一遇10分钟最大风速统计结果，发现绝大多数风能资源较好的风电场都处于风电机组安全等级为Ⅲ级范围内，但在复杂地形下，经常出现风电机组安全等级为Ⅱ级的风速，这样在确定的风场范围内，出现风电机组安全等级为Ⅱ和Ⅲ级的风速。对于出现风电机组安全等级为Ⅱ和Ⅲ级风速的风电场，为了适应风电机组的安全性要求，通常做法是选择较高的Ⅱ级安全风电机组机型，Ⅱ级安全风电机组较Ⅲ级安全风电机组风轮直径小，相应利用风能资源的能力低，风力发电量降低。针对出现风电机组安全等级为Ⅱ和Ⅲ级风速的风电场，选择风电机组安全等级较高机型，未充分利用风能资源。本发明是在不减小风电机组风轮直径来满足安全要求方法或者对满足安全要求的风机增加风轮直径，提高风能资源利用率。
发明内容
本发明是通过调整风电机组轮毂高度以改变风力机处的风速，而不提高电机组安全等级，解决了适应风电机组的安全性要求；或者对满足安全性要求的风机增加风轮直径，提高风能利用。经统计，通过调整风电机组轮毂高度来满足安全性要求相对缩小风轮直径带来更好的收益；对满足安全性要求的风机增加风轮直径实现最大利用风能资源。通过调整风电机组轮毂高度和风轮直径，实现最大利用风能资源，提高风电机组发电能力，从而获得最佳发电量。
为此，本发明提出了一种复杂地形下提高风能利用的方法，该方法包括：一种复杂地形下提高风能利用的方法，其特征在于，该方法包括：步骤S1，获得风电场内各风电机组位置处50年一遇最大风速和平均风速数据；步骤S2，根据步骤S1中获得的数据，确定各风机是否满足安全性要求；步骤S3，根据步骤S2确定的结果，在满足安全性要求的范围内调整各风机的风轮直径和轮毂高度。
根据本发明方法的一个方面，该方法还包括步骤S4，对整个风电场进行分析计算，获得各个风电机组位置处的风轮直径和轮毂高度。
根据本发明方法的一个方面，步骤S1具体包括：根据具有代表性的风资源、区域地形图、风电机组资料、风机布置方式和相关气象资料，利用风能专业计算软件计算计算不同位置处的50年一遇最大风速和平均风速数据。
根据本发明方法的一个方面，步骤S2具体包括：根据步骤S1获得的数据，判断哪些风机满足安全性要求，哪些风机不满足安全性要求，判断方法为根据各个风机位置处50年一遇最大风速和平均风速数据，判断各个风机是否位于所述50年一遇最大风速和平均风速数据对应的安全等级范围内，若位于所述范围内，则满足安全性要求，否则不满足安全性要求。
根据本发明方法的一个方面，步骤S3具体包括：对于满足安全性要求的风机，增加风轮直径或增高轮毂高度以提高风能利用，对于不满足安全性要求的风机，减小风轮直径或降低轮毂高度以满足安全性要求。
根据本发明方法的一个方面，步骤S3还包括：对于调整后的风轮直径或轮毂高度进行安全性判断，根据分析结果调整风轮直径或轮毂高度至满足安全性要求的范围内。
根据本发明方法的一个方面，步骤S4具体包括：(1)对于最大风速满足要求，部分平均风速较低的位置通过增加风轮直径来提高风能资源利用时，分析增加风轮直径引起的尾流增加并与未增加风轮直径前的发电量进行比较，根据比较结果调整风轮直径；(2)对于最大风速满足要求，部分平均风速较高的位置通过缩小风轮直径或者降低轮毂高度来满足风机的安全性要求，分别对缩小风轮直径和降低轮毂高度这两种调整方式的发电量和/或成本进行计算，选择发电量高和/或成本低的调整方式。
根据本发明方法的一个方面，在步骤S4的(2)中，相比通过缩小风轮直径来满足安全性的要求，降低轮毂高度能够降低成本并且可以增加发电量，选择降低轮毂高度这一调整方式，以提高风能利用水平。
附图说明
图1示出了本发明提出的方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了本发明提出的复杂地形下提高风能利用的方法的流程图。如图1所示，本发明提出的方法包括：步骤S1，获得风电场内各风电机组位置处50年一遇最大风速和平均风速数据；步骤S2，根据步骤S1中获得的数据，确定各风机是否满足安全性要求；步骤S3，根据步骤S2确定的结果，在满足安全性要求的范围内调整各风机的风轮直径或轮毂高度；步骤S4，对整个风电场进行分析计算，获得各个风电机组位置处的风轮直径和轮毂高度。
下面对上述步骤进行更详细地描述：
在步骤S1中，根据具有代表性的风资源、区域地形图、风电机组资料、风机布置方式和相关气象资料，利用风能专业计算软件计算不同位置处的50年一遇最大风速和平均风速数据；
在步骤S2中，根据计算得到的数据，判断哪些风机满足安全性要求，哪些风机不满足安全性要求，判断方法为根据步骤S1计算得到的不同位置处的50年一遇最大风速和平均风速数据以及表1“风电机组等级基本参数表”来判断风机是否超过相应的等级安全要求，例如某位置处的平均风速超过7.5m/s、50年一遇最大风速超过37.5m/s，表示该位置处风机的安全等级超过Ⅲ级，如果该位置处安装的风机为Ⅲ级或Ⅳ级，则风机不满足安全性要求，如果该位置处的平均风速小于7.5m/s、50年一遇最大风速小于37.5m/s，那么若该位置处安装的风机为Ⅲ级则满足安全性要求。
按照国家标准《风力风电机组安全要求》(GB18451.1-2001)，本工程为非近海安装的风力机，暂按一般安全等级要求风电机组，风电机组等级基本参数，见下表。
表1 风电机组等级基本参数表
Figure BSA00000527977600031
表中各数值应用于轮毂高。
WTGS-风力发电机组
vref-50年一遇最大风速
vave-平均风速
A-较高湍流特性级  B-较低湍流特性级
I15-湍流强度15m/s时特性值
a-斜度参数
在步骤S3中，对于满足安全性要求的风机，优先考虑增加风轮直径以提高风能利用，对于不满足安全性要求的风机，优先考虑降低轮毂高度以满足安全性要求，对于风轮直径或轮毂高度的调整需要进行安全性分析，确定所述调整在满足安全性要求的范围内。
目前风电机组生产厂家提供的主流机型均为单机容量在1500KW以上、三叶片、变桨距、轮毂高度在60m以上的风电机组，设计不同的风轮直径大小用于满足不同的安全等级要求，一般风轮直径越小满足的安全等级越高，另一方面风轮直径越小所产生的发电量也越小。对于最大风速所带来的极限载荷往往通过加强某些部件得以满足，但对于平均风速过大带来的疲劳荷载不太容易解决。绝大多数风电场的一次开发规模为50MW，对于复杂地形的风电场来说，一般海拔高度较低的风机位置处的平均风速较小，海拔高度较高的风机位置处的平均风速较大，而一个风电场均装设相同型号的风电机组，对于有的风电场所选择的风电机组满足绝大多数风机位置处的安全要求，由于海拔高度较低的风机位置处的平均风速较小，满足安全性要求的余度较大，完全可以通过增大风轮直径或增高轮毂高度来增加发电量；对于有的风电场所选择的风电机组不满足小部分风机位置处的安全要求，对于绝大多风机位置处的平均风速较高，极少数特别高的，可以通过降低轮毂高度来满足安全性的要求，相比通过缩小风轮直径来满足安全性的要求，可以增加发电量、提高风能利用水平。
下面结合具体实例更详细地介绍本发明的方法。
(1)改变风轮直径来提高风能利用
某风电场所用单机容量为1500kW的33台某种型号风机，通过计算结果，选用风轮直径为82m可以满足安全性要求。下表为风电场不同海拔和位置处的风速测算表。
Figure BSA00000527977600041
通过上表可以看到，海拔较低的风机位置处的平均风速较低，海拔较高的风机位置处的平均风速较高，绝大多数的风机位置处的平均风速达到或超过7.5m/s，但同时仍有部分风机位置处的平均风速远低于7.5m/s，这时我们可以对平均风速较低位置处的风机增加风轮直径，既增加了发电量，也不影响风机的安全要求。下表给出了两个不同方案所对应的发电量数据。
Figure BSA00000527977600052
如上表所示，方案1为统一使用风轮直径82m的电量结果；方案2为对平均风速较低的使用风轮直径86m，其他风机使用风轮直径82m的电量结果。通过上表可知，通过对低平均风速处的风机增大风轮直径，增加了发电量。
(2)改变轮毂高度来提供风能利用
某风电场所用单机容量为1500kW的33台某种型号风机，通过计算结果，选用风轮直径为82m、轮毂高度为80m可以满足绝大多数风机安全性要求。下表为风电场不同海拔和位置处的风速测算表。
Figure BSA00000527977600053
Figure BSA00000527977600061
通过上表可以看到，海拔较低的风机位置处的平均风速较低，海拔较高的风机位置处的平均风速较高，绝大多数的风机位置处的平均风速都小于7.5m/s，但仍有部分风机位置处的平均风速高于7.5m/s，这时我们可以对平均风速高于7.5m/s位置处的风机缩小风轮直径或者降低轮毂高度来满足风机的安全性要求。下表示出了两个不同方案所对应的发电量数据。
Figure BSA00000527977600062
方案1为风轮直径均为82m，对平均风速高于7.5m/s的风机使用轮毂高度为65m，其他风机使用轮毂高度80m的电量结果；方案2为轮毂高度均为80m，对平均风速高于7.5m/s的风机使用风轮直径为77m，其他风机使用风轮直径均为82m的电量结果。通过上表，方案1发电量略高于方案2，但方案1部分风机轮毂高度降低也节约了投资，相当于增加了发电量，就本项目每台风机65m高度较80m塔筒重量减少约40吨，共有7台风机降低了轮毂高度，塔筒每吨约1.2万元，共计节约投资336万元。因此降低风机轮毂高度比缩小风轮直径所带来的收益更好。
在步骤S4中，对整个风电场进行分析计算，具体过程如下：(1)对于最大风速满足要求，部分平均风速较低的位置通过增加风轮直径来提高风能资源利用，增加风轮直径可能会带来尾流增加，通过与原方案发电量进行比较，确定增加风轮直径可行，因为同样型号不同风轮直径的成本基本相同，但发电量却有较大差别。(2)对于最大风速满足要求，部分平均风速较高的位置通过缩小风轮直径或者降低轮毂高度来满足风机的安全性要求，分别对缩小风轮直径和降低轮毂高度这两种调整方式的发电量和/或成本进行计算，选择发电量高和/或成本低的调整方式，相比通过缩小风轮直径来满足安全性的要求，降低轮毂高度一方面可以降低成本，另一方面可以增加发电量，提高风能利用水平。
在复杂地形的风电场中，出现风电机组安全等级为Ⅱ和Ⅲ级的风速，如果绝大多数风机位置处的风速为安全等级为Ⅱ级，小部分为Ⅲ级，则增加安全等级为Ⅲ级位置处的风机风轮直径；如果绝大多数风机位置处的风速为安全等级为Ⅲ级，小部分为Ⅱ级，不须提高风电机组安全等级减小风轮直径，而是仍按较低的风电机组安全等级选择机型，局部位置调整风电机组的轮毂高度，相对传统中选择风电机组安全等级较高、且轮毂高度统一的风电机组机型增大发电量，实现最大利用风能资源，同时也减少了对周围风电机组湍流的影响。
本文所述的上述具体实施方式仅为示例性的，并不作为对本发明保护范围的限制。本领域技术人员可针对不同的具体情况对本方案作出修改和调整，这些修改和调整也落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种复杂地形下提高风能利用的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤S1，获得风电场内各风电机组位置处50年一遇最大风速和平均风速数据；
步骤S2，根据步骤S1中获得的数据，确定各风机是否满足安全性要求，具体包括：根据步骤S1获得的数据，判断哪些风机满足安全性要求，哪些风机不满足安全性要求，判断方法为根据各个风机位置处50年一遇最大风速和平均风速数据，判断各个风机是否位于所述50年一遇最大风速和平均风速数据对应的安全等级范围内，若位于所述范围内，则满足安全性要求，否则不满足安全性要求；
步骤S3，根据步骤S2确定的结果，在满足安全性要求的范围内调整各风机的风轮直径或轮毂高度，具体包括：对于满足安全性要求的风机，增加风轮直径或增高轮毂高度以提高风能利用，对于不满足安全性要求的风机，减小风轮直径或降低轮毂高度以满足安全性要求。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，该方法进一步包括：
步骤S4，对整个风电场进行分析计算，获得各个风电机组位置处的风轮直径和轮毂高度。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
根据具有代表性的风资源、区域地形图、风电机组资料、风机布置方式和相关气象资料计算不同位置处的50年一遇最大风速和平均风速数据。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，步骤S3还包括：
对于调整后的风轮直径或轮毂高度进行安全性判断，根据分析结果调整风轮直径或轮毂高度至满足安全性要求的范围内。
5.根据权利要求2的方法，其特征在于，步骤S4具体包括：(1)对于最大风速满足要求，部分平均风速较低的位置通过增加风轮直径来提高风能资源利用时，分析增加风轮直径引起的尾流增加并与未增加风轮直径前的发电量进行比较，根据比较结果调整风轮直径；(2)对于最大风速满足要求，部分平均风速较高的位置通过缩小风轮直径或者降低轮毂高度来满足风机的安全性要求，分别对缩小风轮直径和降低轮毂高度这两种调整方式的发电量和/或成本进行计算，选择发电量高和/或成本低的调整方式。
6.根据权利要求5的方法，其特征在于，在步骤S4的(2)中，相比通过缩小风轮直径来满足安全性的要求，降低轮毂高度能够降低成本并且可以增加发电量，选择降低轮毂高度这一调整方式。
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