基于實(shí)際臺(tái)風(fēng)工況的風(fēng)電機(jī)組選型建議

文 | 楊衎

基于實(shí)際臺(tái)風(fēng)工況的風(fēng)電機(jī)組選型建議

文 | 楊衎

目前在風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組選型時(shí)，設(shè)計(jì)單位通?；陧?xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，并結(jié)合歷史長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)評(píng)估整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)況條件，然后根據(jù)市場(chǎng)上滿足項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)需求的主流機(jī)組進(jìn)行設(shè)備選型。而實(shí)際上，我國(guó)東南沿海地區(qū)常會(huì)受到臺(tái)風(fēng)影響，臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)，外圍風(fēng)速這種方式對(duì)處于臺(tái)風(fēng)邊緣的沿海低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)的工況特性考慮不夠充分，可能會(huì)對(duì)機(jī)組壽命和可利用率產(chǎn)生不利影響。本文基于某沿海風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境時(shí)風(fēng)電機(jī)組發(fā)電工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)分析處理，提出沿海抗臺(tái)風(fēng)型機(jī)組如需利用臺(tái)風(fēng)外圍大風(fēng)區(qū)發(fā)電在選型時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題。

臺(tái)風(fēng)特性

臺(tái)風(fēng)即發(fā)生在熱帶海洋上空具有暖中心結(jié)構(gòu)的強(qiáng)烈氣旋性渦旋，總伴有狂風(fēng)暴雨，常給受影響地區(qū)造成嚴(yán)重災(zāi)害，臺(tái)風(fēng)的垂直結(jié)構(gòu)一般可達(dá)到10km左右，發(fā)展強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)可一直伸展到對(duì)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(gè)區(qū)域，即：眼區(qū)、渦旋區(qū)、外圍大風(fēng)區(qū)。

臺(tái)風(fēng)眼區(qū)，亦稱為臺(tái)風(fēng)內(nèi)圈，其直徑一般為10km-60km，大的超過(guò)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(tái)風(fēng)眼區(qū)一般天空少云或晴空，氣壓降至最低，風(fēng)速迅速減小到4級(jí)以下，或靜風(fēng)。

臺(tái)風(fēng)渦旋區(qū)：亦稱為臺(tái)風(fēng)中圈，是圍繞臺(tái)風(fēng)眼分布著的一條最大風(fēng)速帶，寬度平均為10km-20km。它與環(huán)繞臺(tái)風(fēng)眼的云墻重合，臺(tái)風(fēng)中最強(qiáng)烈的對(duì)流、降水都出現(xiàn)在這個(gè)區(qū)域里，是臺(tái)風(fēng)破壞力最猛烈、最集中的區(qū)域。

外圍大風(fēng)區(qū)：亦稱為臺(tái)風(fēng)外圈，直徑通常為400km-600km，有時(shí)可達(dá)800km-1000km。常伴有分散性陣雨，風(fēng)速一般6級(jí)-7級(jí)，并向內(nèi)急劇增加。氣壓由外部開(kāi)始緩慢下降并向內(nèi)急劇下降。

通過(guò)對(duì)某臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域臺(tái)風(fēng)路徑經(jīng)過(guò)和靠近測(cè)風(fēng)塔區(qū)域的臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)分析，風(fēng)速分布近似成“M”型，即某一地區(qū)隨著臺(tái)風(fēng)的靠近，風(fēng)速先增大，后減小，再增大，隨著臺(tái)風(fēng)遠(yuǎn)去風(fēng)速減小。所測(cè)得風(fēng)向角度變化為120°-180°，監(jiān)測(cè)到的最大風(fēng)向變化是在10分鐘內(nèi)變化了158°，結(jié)合臺(tái)風(fēng)路徑圖分析臺(tái)風(fēng)風(fēng)向變化方向，得到臺(tái)風(fēng)風(fēng)向變化趨勢(shì)與路徑方向的關(guān)系，即：當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑走向在測(cè)風(fēng)位置的右側(cè)、右上方或者上方時(shí)，風(fēng)向沿逆時(shí)針變化；當(dāng)臺(tái)風(fēng)路徑走向在測(cè)風(fēng)位置的左側(cè)、左下方或者下方時(shí)，風(fēng)向沿順時(shí)針變化。

對(duì)于某些處于臺(tái)風(fēng)影響區(qū)域的沿海風(fēng)電場(chǎng)，由于全年發(fā)電小時(shí)數(shù)不高，利用臺(tái)風(fēng)外圍大風(fēng)搶發(fā)電效益是提高風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)濟(jì)效益的必要手段。然而臺(tái)風(fēng)的基本特性與正常層流風(fēng)的不同決定了臺(tái)風(fēng)區(qū)域風(fēng)電機(jī)組選型不僅要考慮其極端風(fēng)速情況，更應(yīng)結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)有其特殊的考慮。因此有必要針對(duì)臺(tái)風(fēng)特性對(duì)該區(qū)域風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，以便為其他項(xiàng)目機(jī)組選型時(shí)做必要參考。

某沿海風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)過(guò)境期間的風(fēng)速特性與機(jī)組特性

某沿海風(fēng)電場(chǎng)，距離海岸線約20km，安裝33臺(tái)1500kW-77雙饋風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量5萬(wàn)千瓦。該風(fēng)電場(chǎng)可研數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)輪轂高度湍流強(qiáng)度（V=15m/s）為0.104，機(jī)組選型湍流強(qiáng)度等級(jí)為B級(jí)（0.14）。2013年8月，某14級(jí)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中心從風(fēng)電場(chǎng)東部由南往北移動(dòng)，風(fēng)電場(chǎng)距臺(tái)風(fēng)中心約200km，全場(chǎng)處在七級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈之內(nèi)。

根據(jù)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)兩座測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)分析，在臺(tái)風(fēng)逐漸靠近的時(shí)段，同等高度下近海測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速較靠?jī)?nèi)陸的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速大，湍流強(qiáng)度TI由于地表特征變化也產(chǎn)生一定波動(dòng)。對(duì)于機(jī)組選型設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)參考陣風(fēng)系數(shù)1.4極限設(shè)計(jì)，極端大風(fēng)設(shè)計(jì)加載湍流強(qiáng)度為0.11，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)風(fēng)速各高于一定值時(shí)，前述兩值隨風(fēng)速增大逐漸減小且趨于穩(wěn)定，70m高度風(fēng)速高于14m/s左右時(shí)，陣風(fēng)系數(shù)穩(wěn)定在1.25-1.36之間，而湍流強(qiáng)度TI也隨風(fēng)風(fēng)速增大而迅速變小。特別是沿海地區(qū)地形條件相對(duì)平坦的區(qū)域，原機(jī)組的設(shè)計(jì)理念是合理的。但是對(duì)于大于額定風(fēng)速且小于切出風(fēng)速區(qū)段，原常規(guī)根據(jù)測(cè)風(fēng)塔以及氣象歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行可研設(shè)計(jì)選型的風(fēng)電機(jī)組湍流強(qiáng)度等級(jí)難以解決臺(tái)風(fēng)上升氣流造成的不利影響。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，湍流強(qiáng)度的大小，不但影響機(jī)組的疲勞載荷，還影響機(jī)組的極限載荷。因此本文將從臺(tái)風(fēng)對(duì)湍流強(qiáng)度的變化影響進(jìn)行分析，以給出臺(tái)風(fēng)工況機(jī)組設(shè)計(jì)建議。為分析臺(tái)風(fēng)對(duì)湍流強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)以及變槳系統(tǒng)動(dòng)作的影響，現(xiàn)選取該風(fēng)電場(chǎng)臺(tái)風(fēng)期間地表差異較大的兩臺(tái)風(fēng)電機(jī)組（A機(jī)組與B機(jī)組）運(yùn)行情況分析。

（一）A機(jī)組

取A機(jī)組某段運(yùn)行數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)時(shí)間約為2h，時(shí)間分辨率為1s，如圖1所示，為計(jì)算湍流強(qiáng)度TI（V=15m/s），盡可能選取10min平均風(fēng)速為15m/s的區(qū)間，見(jiàn)表1。湍流強(qiáng)度與某個(gè)葉片槳距角動(dòng)作相關(guān)性如圖2所示。

（二）B機(jī)組

取B機(jī)組某段運(yùn)行數(shù)據(jù)，樣本數(shù)據(jù)時(shí)間約為2h，時(shí)間分辨率1s，如圖3所示，為計(jì)算湍流強(qiáng)度TI（V=15m/s），盡可能選取數(shù)據(jù)處理后10min平均風(fēng)速為15m/s的區(qū)間，見(jiàn)表2，湍流強(qiáng)度與某個(gè)葉片槳距角相關(guān)性如圖4所示。

表1 A機(jī)組數(shù)據(jù)處理情況

表2 B機(jī)組數(shù)據(jù)處理情況

運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組等級(jí)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(fēng)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(fēng)速時(shí)湍流強(qiáng)度的預(yù)期值。

對(duì)于設(shè)計(jì)正常湍流模型來(lái)說(shuō)，湍流強(qiáng)度定義：

其中δ1：湍流標(biāo)準(zhǔn)偏差，

據(jù)此湍流強(qiáng)度曲線如下圖5所示。

可研報(bào)告中，該風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)機(jī)組選型湍流強(qiáng)度為B級(jí)，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(qiáng)度與實(shí)際臺(tái)風(fēng)情況下湍流強(qiáng)度的差異見(jiàn)圖6所示。圖6中三角形為B機(jī)組數(shù)據(jù)情況，方塊為A機(jī)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(jī)組周邊地表較B機(jī)組粗糙和復(fù)雜）。由此可見(jiàn)臺(tái)風(fēng)渦旋區(qū)周邊風(fēng)況并不穩(wěn)定，湍流強(qiáng)度處于設(shè)計(jì)臨界，此外由于風(fēng)杯僅測(cè)量水平風(fēng)向數(shù)據(jù)，所以僅獲得水平湍流強(qiáng)度，而臺(tái)風(fēng)是渦旋上升氣流，加之周邊機(jī)組的尾流效應(yīng)，所以正常情況下其綜合湍流強(qiáng)度實(shí)際值應(yīng)該會(huì)更高，很可能超過(guò)B機(jī)組原設(shè)計(jì)等級(jí)。因此，這時(shí)臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)域機(jī)組在未切出仍然發(fā)電的情況下，機(jī)組承受的外部疲勞載荷將可能超過(guò)原設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)組壽命造成影響。

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的控制策略，槳葉角度將會(huì)隨著風(fēng)速變化調(diào)整，根據(jù)圖2與圖4中關(guān)于湍流強(qiáng)度與編碼器標(biāo)準(zhǔn)方差分析可見(jiàn)，編碼器動(dòng)作會(huì)隨湍流強(qiáng)度變大而變大，但湍流強(qiáng)度TI與槳葉角度方差并無(wú)良好的線性關(guān)系，說(shuō)明湍流強(qiáng)度變化對(duì)控制響應(yīng)時(shí)間是有影響的。

根據(jù)表4中粗線框中的數(shù)據(jù)來(lái)看，風(fēng)速增加時(shí)，槳葉動(dòng)作以限制功率，但是變槳控制系統(tǒng)找準(zhǔn)確的槳葉位置實(shí)際響應(yīng)時(shí)間在1s以上，因此持續(xù)變化較大的臺(tái)風(fēng)工況對(duì)于變槳系統(tǒng)不利。由于風(fēng)速的變化造成的變槳?jiǎng)幼鞲郊由显O(shè)計(jì)湍流等級(jí)額外的載荷（包括臺(tái)風(fēng)伴著的暴雨），將可能提高變槳系統(tǒng)故障。而從機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況看，此時(shí)機(jī)組變槳系統(tǒng)槳葉不同步故障比例也較高。

表3 風(fēng)電機(jī)組等級(jí)分類表

表4 B機(jī)組某時(shí)段（分辨率1s）

總結(jié)

本文分析了某臺(tái)風(fēng)工況下某沿海風(fēng)電場(chǎng)1.5MW機(jī)組的運(yùn)行特性，針對(duì)前期機(jī)組選型時(shí)由于測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)較短，導(dǎo)致可能出現(xiàn)的湍流強(qiáng)度無(wú)法滿足臺(tái)風(fēng)運(yùn)行工況設(shè)計(jì)不足的問(wèn)題進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)臺(tái)風(fēng)區(qū)域機(jī)組選型提出如下實(shí)際建議：

（1）臺(tái)風(fēng)區(qū)域風(fēng)電機(jī)組選型時(shí)，應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)過(guò)境特性，由于測(cè)風(fēng)塔通常僅獲得了水平方向的風(fēng)速，應(yīng)結(jié)合可研設(shè)計(jì)情況選取湍流強(qiáng)度等級(jí)較高的風(fēng)電機(jī)組。

（2）在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)選型階段，應(yīng)充分考慮臺(tái)風(fēng)風(fēng)速大，湍流強(qiáng)度高的特點(diǎn)，加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)裕度。

（3）必要時(shí)可根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)評(píng)估沿海風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組在臺(tái)風(fēng)渦旋區(qū)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，重點(diǎn)考慮機(jī)組壽命與發(fā)電效益的平衡。

（4）進(jìn)一步量化臺(tái)風(fēng)區(qū)域湍流強(qiáng)度還需統(tǒng)計(jì)更多臺(tái)風(fēng)樣本結(jié)合地表情況進(jìn)行分析總結(jié)。

（作者單位：廣東粵電湛江風(fēng)力發(fā)電有限公司）