提高高原型風電機組氣動性能的幾種措施

鐘賢和，李杰，戚中浩

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

提高高原型風電機組氣動性能的幾種措施

鐘賢和，李杰，戚中浩

(東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000)

文章分析了高原型風電機組的運行特點，并與常規風機進行了比較，提出了諸如提高風機額定轉速、降低葉片設計葉尖速比、提前變槳等提高高原型風機氣動性能的措施。

高原型風電機組，氣動性能，葉尖速比，提前變槳

0 引言

隨著國內 “三北”以及東南沿海等地區優質風資源的大規模開發，其后續開發項目逐漸減少，云、貴、川等高原地區逐漸成為今后風資源開發的熱點地區。由于高原地區空氣密度較低，根據低海拔地區設計的風電機組應用于高原地區后更易出現失速等問題；另外，為了捕獲更多的風能，目前風電葉片存在普遍加長的現象，高原地區長葉片的應用，將使風電機組的失速問題更加嚴重。因此，研究高原地區風機的運行特點，采用針對性措施提高其氣動性能尤為重要。

1 風電機組運行特點介紹

要了解高原型風電機組的運行特點，首先需要了解常規風電機組的運行特點。現代兆瓦級風力發電機組主要為變速變槳風機，其運行曲線如圖1所示，主要可以分為4個區域：

圖1 風電機組功率曲線

·最低轉速區域：從切入風速到V1段，此段風輪轉速穩定在最小轉速，葉尖速比 （TSR）隨風速增大而減小，偏離最佳葉尖速比，功率系數Cp在最大功率系數以下。

·最佳運行區域：從V1到V2段，槳距角保持不變，風輪轉速隨風速成正比增加，機組運行在設計葉尖速比，Cp保持最大值。

·次最佳運行區域：從V2到額定風速Vr，轉速達到額定值，不再隨風速增加，槳距角也仍然保持不變，葉尖速比隨風速增大而減小，Cp開始下降。

·額定功率區域：從Vr到切出風速，轉速和功率均維持在額定值，槳距角隨風速增大而增大，以減小葉片攻角、降低Cp，使風機功率維持在額定值。

當風速從V2增大至Vr時，葉尖速比和Cp不斷減小，葉片的攻角不斷增大，葉片攻角從α增大到α'（如圖2所示）。當Vr達到一定值時，葉片攻角將增加至超過失速攻角，葉片失速。因此，增大V2，可拓寬最佳運行區域，縮小次最佳運行區域并減小Vr，提高風機發電量。

圖2 葉片V2和Vr時的速度三角形

V2等于額定轉速時的葉尖線速度和最佳葉尖速比 （TSR-opt）的比值，提高轉速和降低最佳葉尖速比均可以提高V2，而V2的提高又能夠降低Vr，從而提高發電量。

2 高原型風機的主要特點

相對于低海拔地區，高原地區空氣密度較低，額定風速Vr較大，次最佳區域較寬，葉尖速比和Cp更大地偏離最佳值，攻角上升得更高，葉片更容易失速。如圖3所示的某風機在不同空氣密度下的功率曲線，當空氣密度由1.225 kg/m3下降到1 kg/m3時，額定功率時的葉尖速比由7.05下降到5.86，Cp相應由0.38下降到0.28，導致次最佳區域擴大。當空氣密度進一步下降時，葉片將失速。

圖3 不同空氣密度時風機功率曲線 （相同葉片）

圖4為V2對應的葉尖速比 （TSR=9.97）和不同空氣密度下Vr對應的3個葉尖速比 （TSR= 7.05、5.86、5.52對應的空氣密度分別為1.225 kg/ m3、1 kg/m3和0.863 kg/m3）的葉片各截面攻角，在葉尖速比為最佳值時，葉片攻角在5°左右，此時翼型的升阻比最大，氣動效率最高。在標準空氣密度下，隨著風速的增大，攻角增加，當到達額定風速時，葉片各個截面的攻角增加2°～10°，葉根35%區域以內出現失速。在額定風速Vr時，葉片同一截面位置處，空氣密度越低，攻角越大。在空氣密度為0.863時，除葉尖5%以外區域，其余截面攻角均超過12°，攻角大于各截面翼型的失速攻角，最終導致整個葉片失速。

圖4 不同葉尖速比下葉片各截面的攻角

3 提高高原型風機氣動性能的幾個措施

要解決高原型風機的失速問題，首先考慮的是增大V2，增加V2的方法有2種：一種是提高風機的額定轉速，另一種方法是降低葉片的設計葉尖速比，這種需要重新設計葉片。其次考慮采用提前變槳，即在額定功率以前增大槳距角，這樣可以減小額定功率時葉片的攻角，避免在額定功率下葉片大范圍失速。

3.1 提高風機額定轉速

提高額定轉速可以擴大最佳運行區域，在縮小次最佳區域的同時提高整個次最佳區域的Cp和功率，從而也降低Vr。圖5給出了2種不同額定轉速時的功率曲線，當額定轉速從17.3 r/min增大到19 r/min時，V2至Vr段的功率明顯提高，提高幅度最高達18%，額定風速也從13.9 m/s下降到12.8 m/s，失速現象也基本得到解決。

圖5 不同額定轉速下風機的功率曲線

提高額定轉速可以通過提高發電機額定轉速和降低齒輪箱速比2種方法來實現，如果降低齒輪箱速比，在Vcut_in～V1段的低風速段功率會有所下降。不過，額定轉速的增大會帶來擺振載荷的增大。

3.2 降低葉片的設計葉尖速比

同提高額定轉速來增大V2的原理一樣，通過降低設計葉尖速比也可以擴大最佳運行區域，在縮小次最佳區域的同時提高整個次最佳區域的Cp和功率，從而也降低Vr。如圖6所示，將葉片設計葉尖速比從10減小到9，V2至Vr段風機的功率明顯提高。

圖6 不同設計葉尖速比下風機的功率曲線

葉片的設計葉尖速比取決于葉片的外形，同一種葉片，其設計葉尖速比是固定不變的。對于采用相同翼型的葉片，可通過增大葉片弦長來降低葉片設計葉尖速比。當然，弦長越大，載荷也會有所增大，需要設計時綜合考慮。

3.3 提前變槳

由于在額定風速附近時，葉片攻角較大，所以較易失速。如果在額定風速前就提前變槳 （增大槳距角），即圖2中葉片的扭角θ將增大，葉片的攻角將減小，從而避免葉片失速，提高機組功率。圖7為空氣密度為0.863 kg/m3的功率曲線，在11 m/s風速提前變槳到3°，11～14 m/s風速段的Cp和功率比正常變槳有明顯提高，額定風速也有所降低。

Several Methods to Improve Aerodynamic Performance of High Attitude Wind Turbines

Zhong Xianhe，Li Jie，Qi Zhonghao

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The operation characteristics of high attitude wind turbines had been analyzed and compared with common wind turbines.Methods to improve aerodynamic performance of high attitude wind turbines had been presented,such as increasing the rated rotate speed,reducing the design tip speed ratio of blade and pitching ahead of schedule.

high attitude wind turbines,aerodynamic performance,tip speed ratio,pitching ahead of schedule

TK472

A

1674-9987（2015）03-0026-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.007

鐘賢和 （1980-），男，高級工程師，工學碩士，2004年畢業于重慶大學熱能動力工程專業，現從事風電葉片設計工作。