基于實際臺風工況的風電機組選型建議

文 | 楊衎

基于實際臺風工況的風電機組選型建議

文 | 楊衎

目前在風電場風電機組選型時，設(shè)計單位通常基于項目現(xiàn)場測風數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史長系列數(shù)據(jù)評估整個風電場風況條件，然后根據(jù)市場上滿足項目現(xiàn)場需求的主流機組進行設(shè)備選型。而實際上，我國東南沿海地區(qū)常會受到臺風影響，臺風過境時，外圍風速這種方式對處于臺風邊緣的沿海低風速風電場的工況特性考慮不夠充分，可能會對機組壽命和可利用率產(chǎn)生不利影響。本文基于某沿海風電場臺風過境時風電機組發(fā)電工況的運行數(shù)據(jù)，通過分析處理，提出沿?？古_風型機組如需利用臺風外圍大風區(qū)發(fā)電在選型時應(yīng)注意的問題。

臺風特性

臺風即發(fā)生在熱帶海洋上空具有暖中心結(jié)構(gòu)的強烈氣旋性渦旋，總伴有狂風暴雨，常給受影響地區(qū)造成嚴重災(zāi)害，臺風的垂直結(jié)構(gòu)一般可達到10km左右，發(fā)展強烈的臺風可一直伸展到對流層頂部。按其水平結(jié)構(gòu)和天氣現(xiàn)象大致可分為3個區(qū)域，即：眼區(qū)、渦旋區(qū)、外圍大風區(qū)。

臺風眼區(qū)，亦稱為臺風內(nèi)圈，其直徑一般為10km-60km，大的超過100km，小的不到10km，絕大多數(shù)呈圓形，也有橢圓形或不規(guī)則的。臺風眼區(qū)一般天空少云或晴空，氣壓降至最低，風速迅速減小到4級以下，或靜風。

臺風渦旋區(qū)：亦稱為臺風中圈，是圍繞臺風眼分布著的一條最大風速帶，寬度平均為10km-20km。它與環(huán)繞臺風眼的云墻重合，臺風中最強烈的對流、降水都出現(xiàn)在這個區(qū)域里，是臺風破壞力最猛烈、最集中的區(qū)域。

外圍大風區(qū)：亦稱為臺風外圈，直徑通常為400km-600km，有時可達800km-1000km。常伴有分散性陣雨，風速一般6級-7級，并向內(nèi)急劇增加。氣壓由外部開始緩慢下降并向內(nèi)急劇下降。

通過對某臺風影響區(qū)域臺風路徑經(jīng)過和靠近測風塔區(qū)域的臺風數(shù)據(jù)分析，風速分布近似成“M”型，即某一地區(qū)隨著臺風的靠近，風速先增大，后減小，再增大，隨著臺風遠去風速減小。所測得風向角度變化為120°-180°，監(jiān)測到的最大風向變化是在10分鐘內(nèi)變化了158°，結(jié)合臺風路徑圖分析臺風風向變化方向，得到臺風風向變化趨勢與路徑方向的關(guān)系，即：當臺風路徑走向在測風位置的右側(cè)、右上方或者上方時，風向沿逆時針變化；當臺風路徑走向在測風位置的左側(cè)、左下方或者下方時，風向沿順時針變化。

對于某些處于臺風影響區(qū)域的沿海風電場，由于全年發(fā)電小時數(shù)不高，利用臺風外圍大風搶發(fā)電效益是提高風電場經(jīng)濟效益的必要手段。然而臺風的基本特性與正常層流風的不同決定了臺風區(qū)域風電機組選型不僅要考慮其極端風速情況，更應(yīng)結(jié)合實際運行經(jīng)驗有其特殊的考慮。因此有必要針對臺風特性對該區(qū)域風電機組的運行狀態(tài)進行實測數(shù)據(jù)分析，以便為其他項目機組選型時做必要參考。

某沿海風電場臺風過境期間的風速特性與機組特性

某沿海風電場，距離海岸線約20km，安裝33臺1500kW-77雙饋風電機組，總裝機容量5萬千瓦。該風電場可研數(shù)據(jù)設(shè)計輪轂高度湍流強度（V=15m/s）為0.104，機組選型湍流強度等級為B級（0.14）。2013年8月，某14級強臺風中心從風電場東部由南往北移動，風電場距臺風中心約200km，全場處在七級臺風風圈之內(nèi)。

根據(jù)對風電場兩座測風塔數(shù)據(jù)分析，在臺風逐漸靠近的時段，同等高度下近海測風塔風速較靠內(nèi)陸的測風塔風速大，湍流強度TI由于地表特征變化也產(chǎn)生一定波動。對于機組選型設(shè)計來說，IEC61400-1標準參考陣風系數(shù)1.4極限設(shè)計，極端大風設(shè)計加載湍流強度為0.11，根據(jù)實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)風速各高于一定值時，前述兩值隨風速增大逐漸減小且趨于穩(wěn)定，70m高度風速高于14m/s左右時，陣風系數(shù)穩(wěn)定在1.25-1.36之間，而湍流強度TI也隨風風速增大而迅速變小。特別是沿海地區(qū)地形條件相對平坦的區(qū)域，原機組的設(shè)計理念是合理的。但是對于大于額定風速且小于切出風速區(qū)段，原常規(guī)根據(jù)測風塔以及氣象歷史數(shù)據(jù)進行可研設(shè)計選型的風電機組湍流強度等級難以解決臺風上升氣流造成的不利影響。根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，湍流強度的大小，不但影響機組的疲勞載荷，還影響機組的極限載荷。因此本文將從臺風對湍流強度的變化影響進行分析，以給出臺風工況機組設(shè)計建議。為分析臺風對湍流強度設(shè)計等級以及變槳系統(tǒng)動作的影響，現(xiàn)選取該風電場臺風期間地表差異較大的兩臺風電機組（A機組與B機組）運行情況分析。

（一）A機組

取A機組某段運行數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)時間約為2h，時間分辨率為1s，如圖1所示，為計算湍流強度TI（V=15m/s），盡可能選取10min平均風速為15m/s的區(qū)間，見表1。湍流強度與某個葉片槳距角動作相關(guān)性如圖2所示。

（二）B機組

取B機組某段運行數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)時間約為2h，時間分辨率1s，如圖3所示，為計算湍流強度TI（V=15m/s），盡可能選取數(shù)據(jù)處理后10min平均風速為15m/s的區(qū)間，見表2，湍流強度與某個葉片槳距角相關(guān)性如圖4所示。

表1 A機組數(shù)據(jù)處理情況

表2 B機組數(shù)據(jù)處理情況

運行數(shù)據(jù)分析

根據(jù)IEC61400-1標準，關(guān)于風電機組等級分類如表3所示。

表中，參數(shù)值應(yīng)用于輪轂高度

Vref：10min平均風速，

A：指定類別中高湍流特性，

B：指定類別中中湍流特性，

C：指定類別中低湍流特性，

Iref:：15m/s風速時湍流強度的預(yù)期值。

對于設(shè)計正常湍流模型來說，湍流強度定義：

其中δ1：湍流標準偏差，

據(jù)此湍流強度曲線如下圖5所示。

可研報告中，該風電場設(shè)計機組選型湍流強度為B級，根據(jù)IEC61400-1以及前述表格數(shù)據(jù)，經(jīng)處理得到理論湍流強度與實際臺風情況下湍流強度的差異見圖6所示。圖6中三角形為B機組數(shù)據(jù)情況，方塊為A機組數(shù)據(jù)情況。A與B之間的差異主要在于地形與地表差異（A機組周邊地表較B機組粗糙和復(fù)雜）。由此可見臺風渦旋區(qū)周邊風況并不穩(wěn)定，湍流強度處于設(shè)計臨界，此外由于風杯僅測量水平風向數(shù)據(jù)，所以僅獲得水平湍流強度，而臺風是渦旋上升氣流，加之周邊機組的尾流效應(yīng)，所以正常情況下其綜合湍流強度實際值應(yīng)該會更高，很可能超過B機組原設(shè)計等級。因此，這時臺風外圍區(qū)域機組在未切出仍然發(fā)電的情況下，機組承受的外部疲勞載荷將可能超過原設(shè)計，對機組壽命造成影響。

根據(jù)風電機組的控制策略，槳葉角度將會隨著風速變化調(diào)整，根據(jù)圖2與圖4中關(guān)于湍流強度與編碼器標準方差分析可見，編碼器動作會隨湍流強度變大而變大，但湍流強度TI與槳葉角度方差并無良好的線性關(guān)系，說明湍流強度變化對控制響應(yīng)時間是有影響的。

根據(jù)表4中粗線框中的數(shù)據(jù)來看，風速增加時，槳葉動作以限制功率，但是變槳控制系統(tǒng)找準確的槳葉位置實際響應(yīng)時間在1s以上，因此持續(xù)變化較大的臺風工況對于變槳系統(tǒng)不利。由于風速的變化造成的變槳動作附加上設(shè)計湍流等級額外的載荷（包括臺風伴著的暴雨），將可能提高變槳系統(tǒng)故障。而從機組實際運行情況看，此時機組變槳系統(tǒng)槳葉不同步故障比例也較高。

表3 風電機組等級分類表

表4 B機組某時段（分辨率1s）

總結(jié)

本文分析了某臺風工況下某沿海風電場1.5MW機組的運行特性，針對前期機組選型時由于測風數(shù)據(jù)較短，導(dǎo)致可能出現(xiàn)的湍流強度無法滿足臺風運行工況設(shè)計不足的問題進行分析，進而對臺風區(qū)域機組選型提出如下實際建議：

（1）臺風區(qū)域風電機組選型時，應(yīng)充分考慮臺風過境特性，由于測風塔通常僅獲得了水平方向的風速，應(yīng)結(jié)合可研設(shè)計情況選取湍流強度等級較高的風電機組。

（2）在風電機組設(shè)計選型階段，應(yīng)充分考慮臺風風速大，湍流強度高的特點，加強風電機組變槳系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計裕度。

（3）必要時可根據(jù)項目特點評估沿海風電場機組在臺風渦旋區(qū)運行的經(jīng)濟性，重點考慮機組壽命與發(fā)電效益的平衡。

（4）進一步量化臺風區(qū)域湍流強度還需統(tǒng)計更多臺風樣本結(jié)合地表情況進行分析總結(jié)。

（作者單位：廣東粵電湛江風力發(fā)電有限公司）