高海拔山区风电场风电机组的合理选型探讨

2019-01-28李鹏

探索科学(学术版) 2019年8期

李鹏

中国三峡新能源(集团)股份有限公司西南分公司四川成都 610041

1 引言

目前,大多数风力发电机组均是标准风力发电机组进行设计的,高海拔山区风电场地形复杂、风况变化多端,风况比标准等级风机设计依据的标准条件复杂。同时,高海拔山区风电场海拔较高,空气密度小,相同风速情况下风压小,再加上湿度大、雷暴多、太阳辐射强、冰冻严重,这些环境条件一般都比标准等级风力发电机组设计依据的条件恶劣。因此,采用标准条件设计的风力发电机组不一定能较好的适应高海拔山区风电场,在高海拔山区风电场风机选型时,需根据高海拔山区风电场的特点对其进行复核和改进。

2 高海拔山区风电场风况及对风电机组的影响分析

风速分布、风切变是评估风电场风能的重要指标因素,也是风力发电机组选型设计的重要依据。

(1)风速分布。据统计分析表明,高海拔山区风场风速分布总体符合瑞利分布,但由于山区高差大、地形复杂,风能资源受地形影响较大,导致风速分布比瑞利分布更为剧烈,风速分布的最大频率以及对应风速普遍比采用瑞利分布拟合得到的成果大,采用实测值计算的风功率密度普遍比采用瑞利分布拟合风频计算的成果小。因此,对于高海拔山区风场,标准等级风力发电机组设计假定的风频分布基本可以适应高海拔山区风场。但是,根据风力发电机组设计要求,正常风况是影响风机载荷和安全的重要因素。对于高海拔山区风电场,由于实测风频分布与瑞利分布拟合的风频分布仍有较大差别,所以在风机选型时仍需根据实测风况对风机荷载和安全性进行复核,以确保风机安全和稳定运行。

(2)风切变。据统计分析表明,从垂直风切变规律方面看,高海拔山区风场的风切变关系与标准风场的风切变关系是基本相符合的,且绝大多数测风塔的风切变为正切变,仅极少数测风塔风切变为负切变。因此,对于高海拔山区风场,标准等级风力发电机组设计假定的风切变基本可以适应高海拔山区风场,风切变对高海拔山区风电场风电机组选型的影响不大。

3 高海拔山区环境条件及对风电机组的影响分析

高海拔山区环境条件的主要指标包括气温、气压、空气密度、太阳辐射强度、雷暴、湿度、冰冻。

(1)气温。根据平均气温进行统计,高海拔山区年平均气温比相应海拔的年平均气温低2℃～4℃,极端最高气温不高,但极端最低气温较低,根据气象站的长期气温观测：按海拔每上升1000 m 气温降低6.5℃估算,海拔在2050～3250 m 之间的地区,极端最低气温在-6.5℃～-23.5℃之间。标准等级风力发电机组应考虑的正常环境温度范围为-10℃～+40℃,极端温度范围至少应为-20℃～+50℃。标准等级风力发电机组设计假定的温度范围基本可以适应高海拔山区风场,温度对风电机组的影响不大。但是,为确保风机安全运行,对于气温较低的风电项目,应统计每年存在低温的天数,如果出现连续多年多天气温在-20℃以下,则需要考虑低温对机组运行安全的影响,适当选择低温型风力发电机组。

(2)气压。高海拔山区风电场海拔大多在2000 m 以上,气压较低,海拔在2000 m 时年平均气压约80k Pa,海拔在3000 m 时年平均气压约71k Pa。气压较低时,电气元件绝缘强度降低,器件温升增加,使以空气为灭弧介质的开关电气产品灭弧能力降低,通断能力下降,标准等级风力发电机组不适应高海拔山区风场,高海拔山区风场风电机组应根据低气压环境进行相应的改进和复核。

(3)空气密度。高海拔山区风电场海拔大多在2000 m 以上,空气密度在0.96kg/m3以下,仅为标准空气密度1.225kg/m3的78%,3000 m 以上地区空气密度在0.87kg/m3以下,仅为标准空气密度1.225kg/m3的71%,空气密度较低。空气密度较低,导致风机出力降低,发电效率降低,标准等级风力发电机组不适应高海拔山区风场,高海拔山区风场风电机组应根据低空气密度环境进行相应的改进。

(4)雷暴。据统计,气象站海拔在1050～2250 m 之间的,年雷暴日数在46.6d～96.6d之间,平均约63.9d。而大部分高海拔山区风电场海拔均在2000 m 以上,海拔更高,雷暴日数将更多。标准等级风力发电机组虽然进行了雷电保护设计,但高海拔山区风电场雷暴日数较多,雷击频繁,防雷要求更高,需根据高海拔山区雷暴频繁的特点,对风电机组的雷电保护设计进行复核和加强。

(5)湿度。高海拔山区受地形和气候影响,部分高海拔山区风电场湿度较大,持续时间较长,风机选型时需结合项目本身的湿度情况,采取相应的防渗和除湿措施,以保证风机在高湿环境下的安全稳定运行。

(6)冰冻。冰冻是高湿和低温综合作用的结果,高海拔地区气温较低,湿度较大,两者同时发生将会发生冰冻情况。冰冻的产生将增加叶片重量,覆盖不均匀现象,导致出现应力不同,将对风机运行和安全将造成影响。因此,在高海拔山区进行风能资源观测时增加湿度观测,以对风场进行冰冻情况分析,在风机选型时根据冰冻情况对风机载荷进行复核和加强,并优化风机运行控制策略,以保证风机安全稳定高效运行。