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        風(fēng)力發(fā)電機組選型實例分析

        2014-11-22 02:12:28肖洪波
        機械工程師 2014年1期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速

        肖洪波

        (沈陽鼓風(fēng)機集團風(fēng)電有限公司,沈陽 110869)

        1 風(fēng)力發(fā)電機組選型原則及步驟

        風(fēng)力發(fā)電機組按是否接入電網(wǎng)分為離網(wǎng)型和并網(wǎng)型兩類。我們所討論的風(fēng)力發(fā)電機組均指并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組。目前并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電機組主要為水平軸、3 葉片、上風(fēng)向、管式塔的統(tǒng)一模式。單機容量范圍為750 kW 到2 000 kW。以失速和控制方式分類,可分為失速型定槳定速機型、雙饋變速變槳機型、直驅(qū)永磁變速變槳機型。

        1.1 各種機型的優(yōu)缺點

        1)失速型定槳定速機型。失速型定槳定速機型的葉片安裝好以后不能轉(zhuǎn)動,靠葉片的失速來調(diào)節(jié)功率的輸出,額定風(fēng)速較高,為非主流機型。其優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)簡單,易于制造;控制原理簡單,易于實施;故障率較低。缺點是額定風(fēng)速高,風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率低;轉(zhuǎn)速恒定,機電轉(zhuǎn)換效率低;葉片復(fù)雜,重量大,制造較難,不宜作大風(fēng)機。

        2)雙饋變速變槳機型。變槳距技術(shù)主要解決了風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率低的問題。3 個葉片可以根據(jù)風(fēng)速大小轉(zhuǎn)動,使風(fēng)對葉片的攻角始終保持最佳角度,提高了風(fēng)輪轉(zhuǎn)換效率。變槳距風(fēng)力發(fā)電機組的優(yōu)點是并網(wǎng)簡單、無沖擊電流、可實現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)、輸出電能質(zhì)量較好、有較高的性價比,是目前風(fēng)電行業(yè)的主流機型。缺點是變槳機構(gòu)復(fù)雜,控制系統(tǒng)也較復(fù)雜,出現(xiàn)故障的可能性增加。

        3)直驅(qū)永磁變速變槳機型。此機型是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù),技術(shù)已經(jīng)成熟,代表了未來風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展方向。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組是無齒輪箱的變槳距變速風(fēng)力發(fā)電機組,采用永磁型發(fā)電機,定子與全功率變流器相接后與電網(wǎng)相連。優(yōu)點是沒有齒輪箱,減少了機械傳動損耗;發(fā)電效率高;受風(fēng)速限制小,在低風(fēng)速段出力更大[1]。缺點是電控要求高、運輸難度大、永磁體成本逐年上漲、變頻器的功率器件和冷卻功耗大。

        1.2 影響風(fēng)力發(fā)電機組選型的主要因素

        1)風(fēng)電場的風(fēng)資源情況。根據(jù)輪轂高度的年平均風(fēng)速、50 年一遇10 min 平均最大風(fēng)速、湍流強度等將風(fēng)力發(fā)電機組分為4 個等級,同時還有一個特殊設(shè)計的S 級。應(yīng)根據(jù)場址的風(fēng)況選擇安全等級的級別[2]。

        2)風(fēng)電場氣候條件。根據(jù)氣溫范圍確定選用高溫型、常溫型或低溫型機組。沿海地區(qū),還應(yīng)對防腐和絕緣性能提出特殊要求。

        3)風(fēng)電場的交通運輸條件??疾祜L(fēng)電場周邊道路,判斷是否可以將葉片、塔筒和機艙等安全運抵風(fēng)場。

        4)單機容量。從經(jīng)濟效益的角度,盡量選用單機容量較大的、采用變槳變速技術(shù)的機型,以減少風(fēng)力發(fā)電機組的數(shù)量,增加發(fā)電量,從而減少土地面積的占用和吊裝次數(shù),提高經(jīng)濟效益[2],同時避免將來因廠家停產(chǎn)而難以找到備品備件。大型機組一般采用了更高的輸出電壓。高電壓輸出能夠降低線損和電纜造價從而降低建設(shè)和運行成本。

        5)價格。主要包括風(fēng)力發(fā)電機組的價格及其基礎(chǔ)的費用。單機容量不同時還應(yīng)比較配套設(shè)備和設(shè)施的費用。

        6)售后服務(wù)。廠家有無專門的服務(wù)機構(gòu)和服務(wù)設(shè)施,其他用戶對廠家的評價。

        1.3 機型比選的方法步驟

        1)考察交通運輸條件、安裝條件和風(fēng)資源情況,確定風(fēng)電場規(guī)劃容量和單機容量。

        2)根據(jù)氣候條件,確定幾種備選機型。

        3)用WAsP 和Windfarmer 軟件將幾種備選機型作初步布置,計算出其理論發(fā)電量。

        4)對各備選機型及其配套費用作投資估算。其中風(fēng)力發(fā)電機組的價格用最新的招標(biāo)價格計算。

        5)計算各備選機型的機組風(fēng)輪單位面積性價比。

        6)結(jié)合各備選機型的特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)特點、控制方式、成熟性、先進性、售后服務(wù)等進行綜合的技術(shù)經(jīng)濟比較,確定機型。

        2 實例分析

        2.1 某風(fēng)場地形地貌

        風(fēng)電場處地勢平坦,地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,屬于抗震有利地段,場區(qū)內(nèi)無礦產(chǎn)資源、文物遺存等。對風(fēng)力發(fā)電機組的運輸和安裝沒有特殊的限制,可以運輸和安裝大型風(fēng)力發(fā)電機組。

        2.2 某風(fēng)場風(fēng)資源情況

        1)測風(fēng)塔代表年70m、80m、90m、100m 高度的全年平均風(fēng)速分別為6.10 m/s、6.22 m/s、6.32 m/s、6.42 m/s;相應(yīng)的風(fēng)功率密度分別為244.3 W/m2、258.8 W/m2、272.3 W/m2、285.0 W/m2。風(fēng)電場風(fēng)功率密度等級為2 級,具有開發(fā)價值。

        2)測風(fēng)塔70 m 高度風(fēng)能密度分布最大方向為N,頻率分別為12.7%,風(fēng)能密度分布次大方向為NNW,頻率為12.5%。總體而言,70 m 高度的主風(fēng)能方向為NW~N扇區(qū)SSW~WSW 扇區(qū),所占頻率之和為65.9%。

        3)根據(jù)氣象站多年氣象資料計算當(dāng)?shù)囟嗄昶骄諝饷芏葹?.234 kg/m3。由測風(fēng)塔的實測氣溫、氣壓數(shù)據(jù),計算年平均空氣密度ρ為1.235 kg/m3。本項目選取由測風(fēng)塔計算的空氣密度1.235 kg/m3對風(fēng)場風(fēng)能資源進行評估。

        4)測風(fēng)塔80m 高度,3~25 m/s 全年有效風(fēng)速小時數(shù)在7735h 左右,有效風(fēng)速利用小時數(shù)較長。

        5)通過相關(guān)方程推算風(fēng)場10 m 高度50 年一遇最大風(fēng)速23.97 m/s。通過風(fēng)場的大風(fēng)風(fēng)切變指數(shù)0.094,推算到風(fēng)電場65 m、70 m、80 m、85 m 高度處50 年一遇最大風(fēng)速分別為33.73 m/s、33.97 m/s、34.40 m/s、34.59 m/s。換算到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3下,分別為33.87 m/s、34.10 m/s、34.54 m/s、34.73 m/s。因此,根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1(2005)標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)電場可選用Ⅲ類等級的風(fēng)機。另外,風(fēng)電場范圍內(nèi)風(fēng)速為15 m/s 的湍流強度在50 m 高度以上都較小,低于0.12。因此,根據(jù)國際電工協(xié)會IEC61400-1(2005)標(biāo)準(zhǔn)判定本風(fēng)電場可選用ⅢC 類等級的風(fēng)機。

        2.3 備選機型的選擇

        根據(jù)風(fēng)場的風(fēng)資源特征和地形特征,考慮機組安裝和設(shè)備運輸條件,初步選擇WTG2000 和WTG1500 兩種風(fēng)力發(fā)電機組代表機型,用WAsP10 和Windfarmer4.1.1.0分別對所選機型進行優(yōu)化布置。

        WTG2000 和WTG1500 的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

        2.4 備選機型布置及發(fā)電量計算

        利用WAsP 軟件計算風(fēng)頻譜,分區(qū)域制作風(fēng)資源柵格文件,將其導(dǎo)入Windfarmer 軟件中,考慮尾流損失,進行風(fēng)力發(fā)電機組位置優(yōu)化和發(fā)電量計算[3]。再按35%折減系數(shù)計算折減后發(fā)電量(折減因素包括空氣密度修正、葉片污染、風(fēng)電機組可利用率、線損、功率曲線和氣候影響停機等)。

        表1 WTG2000 機型和WTG1500 機型技術(shù)參數(shù)對照表

        比選風(fēng)機年發(fā)電量計算結(jié)果和折減后的發(fā)電量見表2。

        表2 WTG2000 機型和WTG1500 機型發(fā)電量計算結(jié)果對照表

        2.5 備選機型經(jīng)濟性比較

        依據(jù)上述計算結(jié)果,對兩種比選機型進行經(jīng)濟性對比,對比結(jié)果見表3。

        表3 WTG2000 機型和WTG1500 機型經(jīng)濟性比較

        在技術(shù)水平相當(dāng)?shù)那闆r下,在分析現(xiàn)有風(fēng)資源數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,從能力指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)兩個方面對WTG2000和WTG1500 進行綜合比較,由表3 的對比結(jié)果可見,WTG1500 機型略優(yōu)于WTG2000 機型。

        3 結(jié)論

        風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機組選型是風(fēng)電場設(shè)計的重要工作之一。本文首先簡要介紹了風(fēng)力發(fā)電機組的分類和各類機型的優(yōu)缺點,然后概括了風(fēng)電場開發(fā)初期影響風(fēng)力發(fā)電機組選型的主要因素和機型比選的方法步驟,最后以某風(fēng)電場為實例,進行計算分析,選擇兩種比選機型,在技術(shù)、能量和經(jīng)濟性幾個方面分別進行比選,最終得出本階段的推薦機型。

        [1]張文寶,王友.風(fēng)電場不同機組技術(shù)經(jīng)濟性的分析[J].能源技術(shù)經(jīng)濟,2011,23(3):48.

        [2]李建春.風(fēng)力發(fā)電機組選型因素探析[J].甘肅科技,2010,26(4):110.

        [3]馮賓春,楊鋒.風(fēng)電場機組布局優(yōu)化[J].水利水電技術(shù),2009,40(9):78.

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