高海拔風電機組設計探討

吳樹梁，于良峰，何金海

（濟南軌道交通裝備有限責任公司，濟南 250022）

0 引言

高海拔地區，一般指海拔超過2000m的地區。中國高海拔地區主要分布在西部青藏高原、云貴高原西北部山地、天山山地、青藏高原和黃土高原間的過渡山地，占新疆、青海、西藏、云南、寧夏、甘肅、陜西、四川及貴州九省區總面積的50% 以上[1]。但高原地區空氣密度較小， 所以風功率密度較小 ，在4000m高空的空氣密度大致為地面的67%，如青藏高原北部風功率密度在150 W/m2~200W/m2之間[2]。

1 高原氣候特點

高原具有惡劣的自然環境條件，對機組的設計和運行影響較大，氣候主要特點包括：空氣密度低、濕度大、氣壓低、溫差大、雷暴頻繁、日照時間長、紫外線輻射較高等。考慮到不同海拔高度具有不同的環境條件參數，高原型風電機組分為G2、G3、G4、GS等級，如表1所示。

2 高原型機組設計要點

2.1 葉片選型

葉片捕獲的風能與葉輪直徑、葉型結構、空氣密度密切相關。

風輪吸收的風能一般用下列公式（1）[3]表示：

式中：P—風輪吸收功率

ρ—空氣密度，標準密度：1.225kg/m3

V—風速；

A—風輪面積，1/4ΠD2（D為風輪直徑）

風電機組吸收風能P與空氣密度ρ成正比，發電量存在損失，功率曲線需要進行調整。高原空氣密度大都在0.8 kg/m3~1.0kg/m3之間，比海平面密度低30%左右，機組額定風速往往較大，機組發電量受影響，且機組在風速大的情況下容易產生失速，不利于機組出力。因此，在高海拔空氣密度較低的風電場，可通過適當增加風輪直徑，增大風輪轉速，從而提高機組發電量。

表1 不同等級高原型風電機組基本參數

2.2 機械部分

高原型風電機組最大風速、極大風速明顯增大，會使機組本身安全產生問題，需進行特定廠址機組載荷計算，重新復核整機及部件頻率、強度等性能。

2.2.1載荷計算

高原環境條件下的空氣密度對功率曲線的影響應在載荷計算中優化，載荷仿真計算時使用根據高原環境條件下空氣密度修訂過的運行控制算法。該算法應與確定的環境條件相對應。

2.2.2非金屬材料

復合材料部件、橡膠、彈性部件等在高海拔環境條件下機械性能可能發生改變，從而影響到這些部件的剛度、彈性力以及阻尼等。如果這些影響涉及到機組傳動鏈的性能，如傳動鏈阻尼、機械剎車性能等，應當在確定部件載荷時考慮。

2.2.3抗低溫設計

風電機組的零部件受低溫的影響是不同的。風電機組傳動系統中的齒輪箱、主軸等部件承受沖擊載荷，可能會發生低溫的脆性斷裂。針對此種情況，應采取適當的熱處理方法、表面冷作硬化工藝和提高材料及零件表面的加工質量等措施，提高部件的抗頻繁沖擊能力。同時，還要避免機組在大風速以及低溫下的頻繁投切啟動、緊急制動等可能會產生較大沖擊載荷的操作。發電機底架和塔筒等大型焊接部件，在高寒環境溫度下存在低溫疲勞問題，需強化設計，提高焊縫疲勞壽命。輪轂、主軸、主軸承、螺栓連接和聯軸器等部件也應適當提高設計裕度，從而適應低溫環境要求。

2.2.4防腐要求

海拔高、空氣稀薄使高原地區太陽輻射增強，高原型機組機械結構部件設計時應加強防腐措施。外露部件（如葉片、塔架、機艙罩和導流罩）的抗腐蝕和紫外線老化性能應通過試驗驗證，試驗輻射強度應根據表1中給出的太陽輻射強度確定。

2.3 電氣部分

2.3.1 提高絕緣等級

隨著海拔的升高，空氣密度逐漸降低，外絕緣強度隨之減弱。在海拔5000m范圍之內，每升高1000m，外絕緣強度降低12%，空氣密度降低10%[4]。風電機組內變頻器柜、控制柜、變壓器和發電機等電氣部件均按相關標準要求，采用特殊工藝設計以提高其電氣間隙和爬電距離，從而增強電氣絕緣；同時，加強電氣部件的密封，增加加熱設備或增大加熱器功率，修改控制策略，以保證風電機組運行和啟動時的絕緣要求。

假設風電機組的額定電壓為690V，在不同高度的海拔地區使用時，其電氣間隙、工頻耐壓、沖擊耐壓值應能滿足表2的要求。

（1）絕緣介電強度

按絕緣配合等相關要求，結合產品的絕緣方式，并考慮產品使用海拔的修正系數（見表2、表3），確定絕緣介質最低承受的介電強度。

（2）電氣間隙

以空氣為絕緣的產品，其電氣間隙修正系數值推薦選用表2參數。

（3）電暈及局部放電

應符合常規相應產品標準規定，保證風電機組能夠安全可靠地運行。

（4）工頻耐受電壓和雷電耐受電壓

在高原環境條件下，應符合常規相應產品標準的要求，保證產品在高原地區使用時有足夠的工頻耐壓能力和雷電沖擊能力。在產品使用與試驗海拔不同時，試驗的海拔修正系數應滿足表4的要求。

表2 絕緣要求

表3 電氣間隙修正系數表

2.3.2 機組防雷

高原地區雷暴頻繁，對機組的防雷性能要求較高。可采取以下有效措施：在機艙罩內布置整體銅網，形成等電位防雷系統，有效地保護機艙內電氣元器件；在葉片的尖部和中間設有兩處接閃點，使得葉片接閃的范圍增大，有效地避免對葉片的破壞；不同等級的防雷區之間的電源和信號連接都經過防浪涌模塊，并且防浪涌模塊的狀態在監控室可以實時遠程監控。

2.4 散熱、冷卻

在高原環境條件下，溫升限值不應超過常規型相應產品標準規定值。空氣密度降低引起冷卻效應降低，對于自然對流、強迫通風為主散熱方式下的元器件，由于散熱能力下降，導致溫升增加，元器件種類不同，溫升增加值也有很大變化。在海拔5000m范圍內，每升高1000m，溫升增加3%~10%。 隨著海拔的升高，平均空氣溫度和最高空氣溫度逐漸下降，海拔環境空氣溫度的降低可以部分或全部補償因空氣密度降低引起的溫升的增加，環境溫度的補償為5K/km。

另外，由于空氣密度和氣壓的降低，散熱所需要的冷卻流量發生了改變。空氣密度下降，其比熱容也降低，則需要相應增加散熱通風的流量。因此，在機艙結構設計上需提升通風流量。

2.5 高濕地區防潮

（1）控制柜體的除濕：利用水冷系統、空氣循環系統和加熱系統，根據空氣的含濕特性，建立程序控制立體循環除濕系統。

（2）局部增加除濕機進行除濕，除濕機將空氣中的氣態水吸入內部冷卻形成液態水，通過排水管直接排出柜體外部，降低絕對溫度。

（3）重點部位設置熱風機，采取直接加熱烘干措施。

2.6 防凝凍技術

高原地區晝夜溫差大，易引起凝露。風電機組內控制柜均經過防凝露設計（增設加熱板和溫濕度控制器）。同時還注意到，由于意外停電可能導致的溫濕度控制器因無電力供應不能防止結露，以及塔筒其它部分結露形成的水滴進入柜內等。具體辦法如下： 提高控制柜的密封性能；柜頂裝設防雨板或其它防止滴水進柜的措施；濕度控制器根據濕度情況自動工作；控制柜增設強力通風裝置。

2.7 低氣壓環境

大氣壓力的降低將使空氣間隙和產品絕緣材料的電氣耐壓強度明顯下降。根據相關標準，電氣設備工作于海拔2000m以上時，電氣間隙應為標準電氣間隙乘以海拔4000m以內的電氣間隙的倍增系數。該系數不適用于爬電距離，但爬電距離始終應至少等于電氣間隙的規定值。

表4 工頻耐壓和雷電沖擊耐壓修正系數Ka值

2.8 其他注意事項

（1） 防風沙設計。如發電機采用獨立的散熱通風通道，可有效減少機艙與外界的空氣交流，防止外界風沙進入機艙。

（2）提高風電機組內變頻器和發電機的容量溫度，保證在高海拔、低空氣密度下風電機組的滿功率運行。

（3）采用全金屬的超聲波風速、風向儀，配備均勻的加熱裝置，可有效解決低溫問題，提升機組可靠性，延長風電機組有效利用小時數，增加發電量。

3 總結

綜合國內風能資源情況，結合現有風電技術的發展，估算西部高海拔地區可開發利用的風能資源裝機規模可達47.30 GW，目前已規劃的裝機容量為9.35 GW，可見風能儲量相當豐富。本文闡述了高原地區風場的氣候特點、高原型風電機組設計的注意事項及相關解決方案，充分了解和掌握高原機型的設計要點可增強機組捕風能力，提高機組運行可靠性，對發展高海拔地區清潔能源產業有重要意義。

表5 電氣間隙培增系數[5]

[1] 朱瑞兆. 中國太陽能風能資源及其利用[M]. 北京: 氣象出版社, 1988.

[2]宮靖遠. 風電場工程技術手冊[M].北京：機械工業出版社,2004

[3] 武鑫,譯.Burton T,Sharpe D,Jenkins N,et al.風能技術[M]. 北京: 科學出版社,2007.

[4] 唐延福. 高海拔地區對電氣設備的影響[J].電氣工程應用,2002,(1): 36-38.

[5] GB/T16935.1 低壓系統內設備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗[S]. 2008.