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        等效風(fēng)速與輪轂風(fēng)速對風(fēng)電機(jī)組功率曲線的評估對比分析

        2022-05-12 09:41:26卓錫鑫余高陽鄧順城石宇峰文智勝魏煜鋒
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:空氣密度風(fēng)輪輪轂

        劉 坤,卓錫鑫,余高陽,鄧順城,石宇峰,文智勝,魏煜鋒

        (明陽智慧能源集團(tuán)股份公司,廣東中山 528437)

        0 引言

        近年來,隨著我國對新能源的高度重視及大力發(fā)展,做為新能源的重要組成部分之一的風(fēng)力發(fā)電,也得到了快速發(fā)展。由于風(fēng)電的目標(biāo)是普惠制,所以對低度電成本不懈地追求,通過技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)風(fēng)電機(jī)組大型化,進(jìn)而降低度電成本已成為主要的解決方案,致使單機(jī)容量越來越大,到目前為止單機(jī)容量到達(dá)十幾兆瓦。在風(fēng)電領(lǐng)域中,評價(jià)風(fēng)電機(jī)組的好壞主要取決了機(jī)組的性能,而評價(jià)一臺(tái)機(jī)組性能的好壞,功率曲線則是一個(gè)重要指標(biāo)[1]。對此,機(jī)組制造商、購買商和運(yùn)營商等相關(guān)企業(yè)都對其及為關(guān)注。功率曲線是由發(fā)電功率與相對應(yīng)的風(fēng)速來表示,因此,風(fēng)速的測量成了功率曲線測試的關(guān)鍵因素之一[2]。

        目前國內(nèi)的風(fēng)電行業(yè)主要的測試參考標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61400-12-1:2005[3]和GB/T 18451.2—2012[4],這兩份標(biāo)準(zhǔn)中采用安裝在測風(fēng)塔上近輪轂高度(±2.5%)的風(fēng)速計(jì)測量的風(fēng)速,評估風(fēng)電機(jī)組的功率特性。但是,隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的大型化,風(fēng)切變、風(fēng)轉(zhuǎn)向?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的發(fā)電能力影響增大,單一高度的測量風(fēng)速無法準(zhǔn)確地表示通過風(fēng)輪掃掠區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速[5-6]。所以,最新發(fā)布的IEC 61400-12-1:2017[7]引入了風(fēng)輪等效風(fēng)速的概念,通過測量風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪掃掠區(qū)域內(nèi)的多個(gè)高度處風(fēng)速,按照加權(quán)平均算法更精確地反映整個(gè)風(fēng)輪掃掠區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)能通量的風(fēng)輪等效風(fēng)速,據(jù)此評估被測風(fēng)電機(jī)組的功率特性[8]。因此,探尋更準(zhǔn)確的大型風(fēng)電機(jī)組功率特性評估方法,更客觀、真實(shí)地評估風(fēng)電機(jī)組功率特性,從而為風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)及制造的改進(jìn)和優(yōu)化起到更好的指導(dǎo)作用。

        本文參照IEC 61400-12-1:2017測試標(biāo)準(zhǔn),使用激光雷達(dá)及測風(fēng)塔測風(fēng),激光雷達(dá)測試機(jī)組輪轂高度及其他高度處風(fēng)速,通過加權(quán)平均計(jì)算得出等效風(fēng)輪風(fēng)速,測風(fēng)塔測試輪轂高度風(fēng)速,兩種測風(fēng)和等效風(fēng)輪風(fēng)速都對機(jī)組功率曲線進(jìn)行評估。通過對比等效風(fēng)輪風(fēng)速和輪轂高度風(fēng)速評估的功率曲線與理論功率曲線的吻合情況,得出更優(yōu)的功率曲線測試評估方法,為后續(xù)研究功率曲線測試提供參考。

        1 功率曲線

        功率曲線是對標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速數(shù)據(jù)組用“區(qū)間法”來評估確定,以0.5 m/s為風(fēng)速區(qū)間寬度。根據(jù)式(1)計(jì)算出每一風(fēng)速區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速平均值,根據(jù)式(2)計(jì)算出相應(yīng)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化后的輸出功率平均值,進(jìn)而得到功率曲線。

        式中:Vi為第i區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化后的平均風(fēng)速;vn,i,j為第i區(qū)間數(shù)組j標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)速值;Pi為第i區(qū)間內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化后的平均輸出功率;Pn,i,j為第i區(qū)間數(shù)組j標(biāo)準(zhǔn)化平均輸出功率值;Ni為第i區(qū)間內(nèi)10 min數(shù)組的個(gè)數(shù)。

        2 空氣密度及風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化

        空氣密度由測得的氣溫、氣壓和相對濕度根據(jù)式(3)計(jì)算得出:

        式中:ρ10min為空氣密度10 min的平均值;T10min為測得的絕對氣溫10 min平均值,K;B10min為修正到輪轂高度處的氣壓10 min平均值,Pa;R0為干燥空氣的氣體常數(shù)287.05,J/(kg?K);Φ為空氣相對濕度(范圍0~100%);Rw為水蒸氣的氣體常數(shù)461.5,J/(kg?K);pw為水蒸氣氣壓,近似于0.000 020 5 exp(0.063 184 6T10min),Pa。

        風(fēng)速數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化到一個(gè)參考空氣密度,參考空氣密度值是測試期間在測試場地測得的有效空氣密度數(shù)據(jù)的平均值,測得的空氣密度平均值四舍五入至0.01 kg/m3。

        風(fēng)速根據(jù)式(4)標(biāo)準(zhǔn)化處理:

        式中:vn為標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速;v10min為測得的風(fēng)速10 min平均值。

        3 功率系數(shù)

        功率系數(shù)CP是由風(fēng)電機(jī)組輸出功率和標(biāo)準(zhǔn)后的風(fēng)速計(jì)算得到,計(jì)算公式如下所示:

        式中:CP,i為第i個(gè)區(qū)間的功率系數(shù);vi為第i個(gè)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化后的平均風(fēng)速(風(fēng)速既可以是風(fēng)輪等效風(fēng)速也可以是輪轂高度處風(fēng)速);Pi為第i個(gè)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)化的平均輸出功率;A為風(fēng)輪掃掠面積;ρ0為參考空氣密度。

        4 風(fēng)輪等效風(fēng)速計(jì)算

        風(fēng)輪等效風(fēng)速是指通過風(fēng)輪掃掠面具有相應(yīng)風(fēng)動(dòng)能通量的風(fēng)速。一般通過測量風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪掃掠區(qū)域內(nèi)的多個(gè)高度處風(fēng)速,各高度處風(fēng)速按照加權(quán)平均算法得到等效風(fēng)速,據(jù)此更精確地反映整個(gè)風(fēng)輪掃掠區(qū)域內(nèi)運(yùn)動(dòng)能通量。計(jì)算風(fēng)輪等效風(fēng)速至少需要3個(gè)不同高度處的測量風(fēng)速。

        計(jì)算風(fēng)輪等效風(fēng)速的示意圖如圖1所示,選取風(fēng)輪面內(nèi)的7個(gè)高度處的風(fēng)速測量值(h1,h2,…,h7),劃分為7個(gè)區(qū)域面積(A1,A2,…,A7)和8個(gè)邊 界 高 度 位 置(Z1,Z2,…,Z8),其中,H為輪轂中心高度,H-R為下葉尖高度,H+R為上葉尖高度。

        圖1 風(fēng)輪等效風(fēng)速測量示意圖

        4.1 垂直風(fēng)速梯度下風(fēng)輪等效風(fēng)速

        風(fēng)輪等效風(fēng)速的計(jì)算至少需要3個(gè)不同高度處的測量風(fēng)速,當(dāng)只考慮垂直梯度下風(fēng)速變化的影響時(shí),風(fēng)輪等效風(fēng)速計(jì)算公式為:

        式中:nh為測量高度個(gè)數(shù)(大于或等于3);vi為第i個(gè)高度處的風(fēng)速;A為風(fēng)輪掃掠面積(πR2);Ai為第i段的面積,即第i個(gè)高度處風(fēng)速vi所代表的段面。

        記風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪直徑為D,則半徑R=D/2,輪轂高度為H,nh個(gè)測量速高度為h1,h2,…,hn,第i個(gè)區(qū)域的下邊界高度為Zi,上邊界高度為Zi+1,則:

        對于區(qū)域面積Ai,采用定積分的方法進(jìn)行計(jì)算得到,風(fēng)輪面在高度c(z)處的寬度積分函數(shù)為:

        記c(z)的原函數(shù)為g(z),則有:

        區(qū)域面積Ai(i=2,3,…,nh)按下式計(jì)算:

        4.2 垂直風(fēng)速和風(fēng)向梯度下風(fēng)輪等效風(fēng)速

        當(dāng)同時(shí)考慮垂直梯度下的風(fēng)速和風(fēng)向時(shí),風(fēng)輪等效風(fēng)速計(jì)算公式為:

        式中:n為可用測量高度的層數(shù)(n≥3);vi為第i層高度處的風(fēng)速;?i為風(fēng)向在輪轂高度和第i段處的角度差;A為風(fēng)輪掃風(fēng)面積(即πR2);Ai為第i段處的面積。

        5 實(shí)測數(shù)據(jù)

        5.1 數(shù)據(jù)說明

        以某風(fēng)電場大功率風(fēng)電機(jī)組為測試對象,該風(fēng)速數(shù)據(jù)由激光雷達(dá)和測風(fēng)塔測得,激光雷達(dá)測試不同高度處的風(fēng)速用于計(jì)算等效風(fēng)輪風(fēng)速,測風(fēng)塔測試輪轂高度處風(fēng)速。測風(fēng)示意圖如圖2所示。

        圖2 測風(fēng)示意圖

        數(shù)據(jù)采集包括,多層高度處的風(fēng)速、風(fēng)向,輪轂高度處大氣壓、溫濕度,機(jī)組輸出功率以及機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)量信號(hào)等,采集變量如表1所示。

        表1 采集變量

        雷達(dá)測量7個(gè)高度處風(fēng)速,盡量均勻分布。斷面分界線設(shè)置在兩個(gè)連續(xù)測量點(diǎn)的中間,經(jīng)計(jì)算各高度風(fēng)速相應(yīng)斷面占比如表2所示。

        表2 斷面占比

        5.2 數(shù)據(jù)分析

        數(shù)據(jù)篩選,通過剔除非并網(wǎng)、限功率和非可用扇區(qū)外數(shù)據(jù)。利用篩選后各高度層風(fēng)速、風(fēng)向按式(13)進(jìn)行計(jì)算得出風(fēng)輪等效風(fēng)速,使用輪轂高度處的溫濕度及大氣壓進(jìn)行空氣密度計(jì)算,用實(shí)際空氣密度對風(fēng)輪等效風(fēng)速和輪轂高度風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)化,以標(biāo)準(zhǔn)化后的風(fēng)速進(jìn)行功率曲線評估。

        所有的測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)值都是基于連續(xù)10 min的平均周期。所有10 min樣本的統(tǒng)計(jì)值將按照不同的風(fēng)速區(qū)間,即bin區(qū)間進(jìn)行歸類和統(tǒng)計(jì)。每一個(gè)bin區(qū)間以0.5 m/s的整數(shù)倍為中心,區(qū)間寬度為0.5 m/s,功率曲線由bin區(qū)間的平均值表示。測試期間空氣密度如圖3所示,小于標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3。

        圖3 空氣密度散點(diǎn)

        輪轂高度H處,有雷達(dá)測風(fēng)風(fēng)速和測風(fēng)塔測風(fēng)風(fēng)速;雷達(dá)測試7層高度處風(fēng)速及風(fēng)向計(jì)算出等效風(fēng)輪風(fēng)速,3種空氣密度規(guī)格化后的風(fēng)速相關(guān)性如圖4所示,3種風(fēng)速相互間有較好的相關(guān)性,如圖5~6所示。

        圖4 3種風(fēng)速相關(guān)性散點(diǎn)

        圖5 3種風(fēng)速評估功率曲線散點(diǎn)

        圖6 3種風(fēng)速CP散點(diǎn)

        如圖7所示,將風(fēng)電機(jī)組等效風(fēng)輪風(fēng)速、測風(fēng)塔輪轂高度處風(fēng)速和激光雷達(dá)輪轂高度風(fēng)速評估與的功率曲線與理論功率曲線(標(biāo)準(zhǔn)功率曲線)進(jìn)行對比,可以看出3種風(fēng)速評估的功率曲線整體差別不大,但是還是可以看出等效風(fēng)速的評估的功率曲線更接近機(jī)組理論功率曲線。

        圖7 3種測量功率曲線與理論功率曲線對比

        風(fēng)能利用系數(shù)CP是評定風(fēng)輪氣動(dòng)特性的主要參數(shù),通過式(5)計(jì)算得出。圖8所示為3種風(fēng)速計(jì)算出的CP和理論CP的對比圖,由圖可知3種風(fēng)速的CP與理論CP都有點(diǎn)差距,但是3種風(fēng)速相互間的CP較接近。相對而言等效風(fēng)速的風(fēng)能利用系數(shù)更接近機(jī)組的理論CP。

        圖8 3種風(fēng)速CP與理論CP

        由于該測機(jī)組位于戈壁灘,地勢平坦,障礙物較少,所以整個(gè)風(fēng)輪內(nèi)風(fēng)向變化及風(fēng)切變較小,風(fēng)切變?nèi)鐖D9所示,各層風(fēng)向變化如圖10所示,平均風(fēng)切變約為0.15左右,各梯度處與輪轂高度處的平均風(fēng)向差值不超過10°,則垂直風(fēng)切變、風(fēng)變向?qū)C(jī)組的功率評估結(jié)果影響較小。致使3種風(fēng)速評估的功率特性及CP很接近,但仍然可以看出風(fēng)輪等效風(fēng)速評估的功率曲線及CP更接近機(jī)組的理論值。當(dāng)風(fēng)切變或風(fēng)輪掃掠面積增大時(shí),3種風(fēng)速間的差異將會(huì)增大,風(fēng)輪等效風(fēng)速評估的功率曲線及CP將會(huì)更接近機(jī)組理論功率曲線及功率系數(shù),評估結(jié)果更符合機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況,可優(yōu)先選擇。但是,當(dāng)?shù)貏萜教梗L(fēng)輪較小時(shí),輪轂高度處的風(fēng)速和等效風(fēng)速評估功率曲線很接近,輪轂高度風(fēng)速還是很有代表性,考慮測試成本和時(shí)間等因素,可以繼續(xù)選擇輪轂高度風(fēng)速評估功率曲線。

        圖9 風(fēng)切變

        圖10 各層高度間風(fēng)向

        6 結(jié)束語

        由上述數(shù)據(jù)比較分析可得出如下結(jié)論。

        (1)3種風(fēng)速相互間的相關(guān)性較高,說明測風(fēng)數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確,具有參考價(jià)值。

        (2)3種風(fēng)速中,等效風(fēng)速評估的功率曲線與理論功率曲線更吻合,說明風(fēng)輪等效風(fēng)速更能準(zhǔn)確地反映整個(gè)風(fēng)輪風(fēng)速,更能準(zhǔn)確地評估出功率曲線和CP,如果測試機(jī)組處地形更復(fù)雜,風(fēng)切變及不同高度層風(fēng)向差相應(yīng)會(huì)增大,風(fēng)輪等效風(fēng)速評估的準(zhǔn)確性優(yōu)勢將更突出,此時(shí)優(yōu)先選擇此方法。

        (3)3種風(fēng)速評估的功率曲線和CP都相差不大,說明當(dāng)?shù)貏萜教?,風(fēng)切變較小時(shí),輪轂高度處的風(fēng)速和等效風(fēng)速評估功率曲線會(huì)很接近,輪轂高度風(fēng)速還是很具有代表性,考慮測試成本和時(shí)間等因素,亦可以繼續(xù)選擇輪轂高度風(fēng)速評估功率曲線。

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