高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的合理選型探討

李 鵬

中國三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司西南分公司 四川 成都 610041

1 引言

目前,大多數(shù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組均是標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行設(shè)計(jì)的,高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)地形復(fù)雜、風(fēng)況變化多端,風(fēng)況比標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)條件復(fù)雜。同時(shí),高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔較高,空氣密度小,相同風(fēng)速情況下風(fēng)壓小,再加上濕度大、雷暴多、太陽輻射強(qiáng)、冰凍嚴(yán)重,這些環(huán)境條件一般都比標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)依據(jù)的條件惡劣。因此,采用標(biāo)準(zhǔn)條件設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不一定能較好的適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng),在高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)選型時(shí),需根據(jù)高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)的特點(diǎn)對(duì)其進(jìn)行復(fù)核和改進(jìn)。

2 高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況及對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響分析

風(fēng)速分布、風(fēng)切變是評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)能的重要指標(biāo)因素,也是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組選型設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

(1)風(fēng)速分布。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速分布總體符合瑞利分布,但由于山區(qū)高差大、地形復(fù)雜,風(fēng)能資源受地形影響較大,導(dǎo)致風(fēng)速分布比瑞利分布更為劇烈,風(fēng)速分布的最大頻率以及對(duì)應(yīng)風(fēng)速普遍比采用瑞利分布擬合得到的成果大,采用實(shí)測(cè)值計(jì)算的風(fēng)功率密度普遍比采用瑞利分布擬合風(fēng)頻計(jì)算的成果小。因此,對(duì)于高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)假定的風(fēng)頻分布基本可以適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng)。但是,根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)要求,正常風(fēng)況是影響風(fēng)機(jī)載荷和安全的重要因素。對(duì)于高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng),由于實(shí)測(cè)風(fēng)頻分布與瑞利分布擬合的風(fēng)頻分布仍有較大差別,所以在風(fēng)機(jī)選型時(shí)仍需根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)況對(duì)風(fēng)機(jī)荷載和安全性進(jìn)行復(fù)核,以確保風(fēng)機(jī)安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

(2)風(fēng)切變。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析表明,從垂直風(fēng)切變規(guī)律方面看,高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)切變關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)切變關(guān)系是基本相符合的,且絕大多數(shù)測(cè)風(fēng)塔的風(fēng)切變?yōu)檎凶?僅極少數(shù)測(cè)風(fēng)塔風(fēng)切變?yōu)樨?fù)切變。因此,對(duì)于高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)假定的風(fēng)切變基本可以適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),風(fēng)切變對(duì)高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組選型的影響不大。

3 高海拔山區(qū)環(huán)境條件及對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響分析

高海拔山區(qū)環(huán)境條件的主要指標(biāo)包括氣溫、氣壓、空氣密度、太陽輻射強(qiáng)度、雷暴、濕度、冰凍。

(1)氣溫。根據(jù)平均氣溫進(jìn)行統(tǒng)計(jì),高海拔山區(qū)年平均氣溫比相應(yīng)海拔的年平均氣溫低2℃～4℃,極端最高氣溫不高,但極端最低氣溫較低,根據(jù)氣象站的長期氣溫觀測(cè)：按海拔每上升1000 m 氣溫降低6.5℃估算,海拔在2050～3250 m 之間的地區(qū),極端最低氣溫在-6.5℃～-23.5℃之間。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)考慮的正常環(huán)境溫度范圍為-10℃～+40℃,極端溫度范圍至少應(yīng)為-20℃～+50℃。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)假定的溫度范圍基本可以適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),溫度對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響不大。但是,為確保風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行,對(duì)于氣溫較低的風(fēng)電項(xiàng)目,應(yīng)統(tǒng)計(jì)每年存在低溫的天數(shù),如果出現(xiàn)連續(xù)多年多天氣溫在-20℃以下,則需要考慮低溫對(duì)機(jī)組運(yùn)行安全的影響,適當(dāng)選擇低溫型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

(2)氣壓。高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔大多在2000 m 以上,氣壓較低,海拔在2000 m 時(shí)年平均氣壓約80k Pa,海拔在3000 m 時(shí)年平均氣壓約71k Pa。氣壓較低時(shí),電氣元件絕緣強(qiáng)度降低,器件溫升增加,使以空氣為滅弧介質(zhì)的開關(guān)電氣產(chǎn)品滅弧能力降低,通斷能力下降,標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)根據(jù)低氣壓環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)和復(fù)核。

(3)空氣密度。高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔大多在2000 m 以上,空氣密度在0.96kg/m3以下,僅為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3的78%,3000 m 以上地區(qū)空氣密度在0.87kg/m3以下,僅為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225kg/m3的71%,空氣密度較低?？諝饷芏容^低,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)出力降低,發(fā)電效率降低,標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不適應(yīng)高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng),高海拔山區(qū)風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組應(yīng)根據(jù)低空氣密度環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

(4)雷暴。據(jù)統(tǒng)計(jì),氣象站海拔在1050～2250 m 之間的,年雷暴日數(shù)在46.6d～96.6d之間,平均約63.9d。而大部分高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)海拔均在2000 m 以上,海拔更高,雷暴日數(shù)將更多。標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雖然進(jìn)行了雷電保護(hù)設(shè)計(jì),但高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)雷暴日數(shù)較多,雷擊頻繁,防雷要求更高,需根據(jù)高海拔山區(qū)雷暴頻繁的特點(diǎn),對(duì)風(fēng)電機(jī)組的雷電保護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)核和加強(qiáng)。

(5)濕度。高海拔山區(qū)受地形和氣候影響,部分高海拔山區(qū)風(fēng)電場(chǎng)濕度較大,持續(xù)時(shí)間較長,風(fēng)機(jī)選型時(shí)需結(jié)合項(xiàng)目本身的濕度情況,采取相應(yīng)的防滲和除濕措施,以保證風(fēng)機(jī)在高濕環(huán)境下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(6)冰凍。冰凍是高濕和低溫綜合作用的結(jié)果,高海拔地區(qū)氣溫較低,濕度較大,兩者同時(shí)發(fā)生將會(huì)發(fā)生冰凍情況。冰凍的產(chǎn)生將增加葉片重量,覆蓋不均勻現(xiàn)象,導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)力不同,將對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行和安全將造成影響。因此,在高海拔山區(qū)進(jìn)行風(fēng)能資源觀測(cè)時(shí)增加濕度觀測(cè),以對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行冰凍情況分析,在風(fēng)機(jī)選型時(shí)根據(jù)冰凍情況對(duì)風(fēng)機(jī)載荷進(jìn)行復(fù)核和加強(qiáng),并優(yōu)化風(fēng)機(jī)運(yùn)行控制策略,以保證風(fēng)機(jī)安全穩(wěn)定高效運(yùn)行。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)以上分析,標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)基本適用于高海拔山區(qū),但是對(duì)于環(huán)境條件要求較為苛刻的相關(guān)主輔設(shè)備上,則必須通過相應(yīng)的校核與改進(jìn),才能更好的適應(yīng)高海拔山區(qū)的運(yùn)行環(huán)境,才能保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。