文/劉揚(yáng)波 陳俊生

0 引言

定槳距風(fēng)機(jī)一般為小容量風(fēng)機(jī)，相比變槳風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝費(fèi)用低、投資少、控制策略成熟等優(yōu)點(diǎn)，適合在海島、高山、邊疆等用電量需求不大地區(qū)。本文以金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)為例，主要研究山上定槳距風(fēng)機(jī)發(fā)電量偏差分析方法，為定槳距風(fēng)機(jī)應(yīng)用于分布式能源提供參考。

1 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)基本參數(shù)

金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)為定槳距風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其最大特點(diǎn)是隨著風(fēng)速的增加，發(fā)電機(jī)的出力隨之增加，當(dāng)風(fēng)速接近14~15m/s時(shí)，達(dá)到額定出力，超出額定出力則風(fēng)速機(jī)組開始失速。其他參數(shù)見表1。

表1 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)基本參數(shù)

2 風(fēng)機(jī)出力分析

2.1 風(fēng)機(jī)功率理論計(jì)算

空氣密度ρ計(jì)算公式如下：

式（1）中：B——大氣壓強(qiáng)（Pa）；T——?dú)鉁兀↘）；R——287.05。

空氣密度與氣溫、大氣壓強(qiáng)有密切關(guān)系，當(dāng)大氣壓強(qiáng)不發(fā)生變化時(shí)，空氣密度將隨著周圍氣溫的升高而減小。一般夏季的空氣密度比冬季的小一點(diǎn)。當(dāng)氣溫不變時(shí)，空氣密度與大氣壓強(qiáng)成正比，隨大氣壓強(qiáng)的增大而增大，因此，在高海拔山區(qū)的大氣壓強(qiáng)比在低海拔地區(qū)低，空氣密度也較小。當(dāng)氣溫升高，大氣壓強(qiáng)降低時(shí)，空氣密度也隨著減?。划?dāng)氣溫降低，大氣壓強(qiáng)升高時(shí)，空氣密度也隨著變大。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的理論功率計(jì)算公式如下：

式（2）中，P——功率；ρ——空氣密度（kg/m）；V——風(fēng)速（m/s）；S——葉輪掃風(fēng)面積（m2）；Cp——風(fēng)輪效率，按Bets理論其最大理論值為0.593。

由式（2）可以看出，風(fēng)能大小與氣流通過的面積、空氣密度和氣流速度的立方成正比。因此，在風(fēng)能計(jì)算中，最重要的因素是風(fēng)速，風(fēng)速取值準(zhǔn)確與否對(duì)風(fēng)能的估計(jì)有決定性作用，如風(fēng)速大1倍，理論計(jì)算風(fēng)能大約大8倍。

2.2 環(huán)境影響分析

風(fēng)機(jī)所處地理環(huán)境的海拔高度、年度主風(fēng)向、周圍地表粗糙度是影響風(fēng)速大小的主要原因（見表2）。

表2 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)所處地理位置經(jīng)緯度

東1風(fēng)機(jī)，位于山坡上，所處位置“北-東-南”為山體，受山體影響嚴(yán)重。東2、東3、東4風(fēng)機(jī)位于山嶺上，受周邊山體高度影響?。ㄒ妶D1）。根據(jù)風(fēng)玫瑰圖可見“東北-東-東南”為主風(fēng)向（見圖2），在地里位置上主風(fēng)向上東1受山體遮擋影響最大，加上風(fēng)速至山體頂部有向上上升分力，所以在主風(fēng)向上東1風(fēng)機(jī)受到很大的影響。其他3臺(tái)風(fēng)機(jī)位置較好，受山體影響小。4臺(tái)風(fēng)機(jī)周圍樹木茂盛，地表粗糙度較大，也影響了風(fēng)力，影響了風(fēng)能的吸收（見圖3）。

圖1 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)微觀選址

圖2 風(fēng)玫瑰圖

圖3 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)實(shí)際位置示例

2.3 安裝角分析

金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)屬于失速型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其額定功率是依靠葉片失速型自身特性決定的，其葉片具有失速性能，而且失速性能只與風(fēng)速有關(guān)，只要達(dá)到了葉片氣動(dòng)外形所決定的失速調(diào)節(jié)風(fēng)速，無論是否滿足輸出功率，葉片的失速性能都能起作用，影響功率輸出，因此對(duì)于同一類機(jī)型，葉片的失速點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速是不變的。安裝角是葉根確定位置處翼型幾何弦與葉片旋轉(zhuǎn)所夾的角度，改變?nèi)~片安裝角，可以改變?nèi)~片的失速調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)風(fēng)速（見圖4）。

圖4 葉輪旋轉(zhuǎn)平面

調(diào)整安裝角也就是調(diào)整葉輪吸收風(fēng)能的能力。風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)理論計(jì)算出的安裝角是根據(jù)功率吸收最大化計(jì)算的，往往在理論計(jì)算時(shí)候與實(shí)際存在很大偏差，雖然理論計(jì)算可以滿足功率曲線對(duì)應(yīng)值，但可能不是實(shí)際風(fēng)機(jī)所處位置年能量輸出電量最多功率曲線；風(fēng)機(jī)運(yùn)行一年后，可根據(jù)各個(gè)風(fēng)速區(qū)間頻率計(jì)算，重新調(diào)整更適合實(shí)際情況的安裝角，從而提高風(fēng)能吸收量。假設(shè)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速以低風(fēng)速7m/s為主，安裝角應(yīng)往“+”的方向調(diào)整，吸收低風(fēng)速區(qū)間的風(fēng)能能量；假設(shè)在風(fēng)速為大風(fēng)速8m/s以上為主，特別是在我國沿海地區(qū)山地上，受臺(tái)風(fēng)影響較大、夏季臺(tái)風(fēng)影響明顯地區(qū)，安裝角應(yīng)往“－”的方向調(diào)整，延遲葉片失速調(diào)節(jié)風(fēng)速，從而吸收更多的風(fēng)能能量。

2.4 風(fēng)速與功率分析

（1）2018年月平均風(fēng)速與平均功率

從表3得出金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)安裝地2018年月平均風(fēng)速大于7m/s的月份有1月、2月、10月、11月、12月共5個(gè)月，月平均風(fēng)速在6~7m/s的月份有3月、4月、5月、6月、7月共5個(gè)月，月平均風(fēng)速低于6m/s的月份有4月、8月共2個(gè)月，可見月平均風(fēng)速主要集中在6~8m/s。

（2）2019年月1月~6月平均風(fēng)速與平均功率

從表4得出金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)安裝地2019年1月~6月平均風(fēng)速超過7m/s的月份有1月、2月、3月、4月、5月共5個(gè)月，月平均風(fēng)速低于6m/s的月份有6月1個(gè)月，可見月平均風(fēng)速主要集中在6~8m/s。

表3 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)安裝地2018年月平均風(fēng)速與平均功率

表4 金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)安裝地2019年月1月～6月平均風(fēng)速與平均功率

（3）功率曲線

根據(jù)金風(fēng)48/750風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（HT23.5葉片）標(biāo)準(zhǔn)功率曲線（見圖5）、4臺(tái)風(fēng)機(jī)2018年1月~2019年6月實(shí)際功率曲線（見圖6）、4臺(tái)風(fēng)機(jī)2019年1月~6月各月份功率曲線對(duì)比（見圖7至圖10），只有東2風(fēng)機(jī)功率曲線比較接近于理論功率曲線。

圖5 金風(fēng)S48/750風(fēng)力發(fā)電機(jī)組（HT23.5葉片）標(biāo)準(zhǔn)功率曲線

圖6 東1、東2、東3、東4風(fēng)機(jī)實(shí)際功率曲線（2018.1.1~2019.7.1）

圖7 東1風(fēng)機(jī)功率曲線（2019年1~6月）

圖8 東2風(fēng)機(jī)功率曲線（2019年1~6月）

圖9 東3風(fēng)機(jī)功率曲線（2019年1~6月）

圖10 東4風(fēng)機(jī)功率曲線（2019年1~6月）

（1）東1、東2、東3、東4風(fēng)機(jī)在風(fēng)速5~10m/s區(qū)間功率曲線相近，風(fēng)速在5m/s啟動(dòng)時(shí)候比理論功率低大約20kw，風(fēng)速在8m/s左右時(shí)比理論功率低大約50kW，風(fēng)速在10m/s時(shí)比理論功率低大約100kW。

（2）風(fēng)速10~15m/s出現(xiàn)偏差，其中東2風(fēng)機(jī)最高功率為740kW，東1和東4最高功率660kW，東3最高功率為640kW。

（3）風(fēng)速15m/s以上，東2風(fēng)機(jī)能平緩進(jìn)入失速，功率保持在720~800kW之間；東4風(fēng)機(jī)失速不明顯，功率在700~740kW之間；東1風(fēng)機(jī)失速明顯，功率在660~700kW之間；東3風(fēng)機(jī)無失速現(xiàn)象，功率在620~700kW之間。

（4）除了東2風(fēng)機(jī)，其他3臺(tái)風(fēng)機(jī)都未能達(dá)到滿功率750kW運(yùn)行。

2.5 偏航對(duì)風(fēng)分析

偏航系統(tǒng)目的是使風(fēng)機(jī)葉輪能正對(duì)風(fēng)。理論上風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)偏差角度在15°以內(nèi)不需要偏航，偏航系統(tǒng)在正對(duì)風(fēng)時(shí)候，葉片吸收風(fēng)能為最大值（見圖11）。

現(xiàn)場檢查風(fēng)機(jī)風(fēng)向標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)情況，經(jīng)檢查東1、東3風(fēng)機(jī)風(fēng)向標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)未能正對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)頭，經(jīng)查，由于維護(hù)工程師未能按要求安裝風(fēng)向標(biāo)，風(fēng)向標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)存在30°左右的偏差，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)未能捕捉到最大的風(fēng)能。

運(yùn)維人員可通過觀察風(fēng)速在10m/s以上時(shí)候?qū)︼L(fēng)機(jī)偏航測試，分別左偏約10°、右偏約10°，測試功率是否有變化。如測試結(jié)果功率無明顯變化，可初步判斷風(fēng)向標(biāo)安裝正確；假設(shè)在左偏10°時(shí)候功率明顯變小或報(bào)“風(fēng)速大功率小”故障，右偏10°時(shí)候功率明顯變大，那么可初步判斷風(fēng)向標(biāo)安裝基準(zhǔn)點(diǎn)偏移向左邊。

風(fēng)向標(biāo)的基準(zhǔn)點(diǎn)可能安裝錯(cuò)位180°，正對(duì)著機(jī)艙尾部，在小風(fēng)期間很難發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)缺陷?，F(xiàn)場巡視可發(fā)現(xiàn)該風(fēng)機(jī)機(jī)艙尾部正對(duì)風(fēng)向，但由于功率變化不明顯，風(fēng)機(jī)風(fēng)速與功率匹配未達(dá)到報(bào)警值，風(fēng)機(jī)能夠正常發(fā)電。此情況對(duì)風(fēng)機(jī)的損害為最大，由于葉輪、齒輪箱的載荷都發(fā)生相反方向應(yīng)力，長期運(yùn)行齒輪箱低速軸可能會(huì)撕裂，嚴(yán)重時(shí)候葉輪可能掉落。巡視人員一旦發(fā)現(xiàn)某臺(tái)風(fēng)機(jī)對(duì)風(fēng)與其他風(fēng)機(jī)相反時(shí)候，應(yīng)及時(shí)登機(jī)檢查。

圖11 金風(fēng)S48/750風(fēng)速儀安裝情況

2.6 葉片渦流發(fā)生器

渦流發(fā)生器（見圖12）實(shí)際上是以某一安裝角垂直地安裝在葉片表面上的小展弦比機(jī)翼，由于其展弦比小，因此翼尖渦的強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。這種高能量的翼尖渦與其下游的低能量邊界層流動(dòng)混合后，就把能量傳遞給了邊界層，使處于逆壓梯度中的邊界層流場獲得附加能量后能夠繼續(xù)貼附在機(jī)體表面而不致分離。

金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)出廠一般不安裝渦流發(fā)生器，該機(jī)型比較適合在新疆、內(nèi)蒙、甘肅地區(qū)使用，以上地區(qū)主要風(fēng)速區(qū)間在10m/s以上，風(fēng)機(jī)首選考慮安裝角的調(diào)節(jié)來吸收最大風(fēng)能。而在我國沿海丘陵地帶，風(fēng)速主要集中在6~8m/s，需要安裝渦輪發(fā)生器，增加風(fēng)能附加量的吸收，通過綜合計(jì)算，部分機(jī)組還需要結(jié)合調(diào)整安裝來提高功率。在實(shí)際應(yīng)用中，金風(fēng)S48/750風(fēng)力發(fā)電機(jī)組增加渦流發(fā)生器可以提高發(fā)電量大約3%左右。

3 結(jié)語

提高發(fā)電量是為了充分利用風(fēng)資源，增加經(jīng)濟(jì)效益。金風(fēng)S48/750風(fēng)機(jī)由于葉片為定槳距設(shè)計(jì)，其理論發(fā)電量計(jì)算往往不能滿足實(shí)際情況。在風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行兩年左右，應(yīng)根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、功率曲線、風(fēng)況等數(shù)值，參考以上幾種發(fā)電量偏差方法進(jìn)行分析。本文所提出的安裝角調(diào)整、安裝渦輪發(fā)生器等方法，在實(shí)際應(yīng)用中已取得了有效作用。

圖12 葉片渦輪發(fā)生器安裝示意