文/刘扬波 陈俊生

0 引言

定桨距风机一般为小容量风机，相比变桨风机具有结构简单、安装费用低、投资少、控制策略成熟等优点，适合在海岛、高山、边疆等用电量需求不大地区。本文以金风S48/750风机为例，主要研究山上定桨距风机发电量偏差分析方法，为定桨距风机应用于分布式能源提供参考。

1 金风S48/750风机基本参数

金风S48/750风机为定桨距风力发电机组，其最大特点是随着风速的增加，发电机的出力随之增加，当风速接近14~15m/s时，达到额定出力，超出额定出力则风速机组开始失速。其他参数见表1。

表1 金风S48/750风机基本参数

2 风机出力分析

2.1 风机功率理论计算

空气密度ρ计算公式如下：

式（1）中：B——大气压强（Pa）；T——气温（K）；R——287.05。

空气密度与气温、大气压强有密切关系，当大气压强不发生变化时，空气密度将随着周围气温的升高而减小。一般夏季的空气密度比冬季的小一点。当气温不变时，空气密度与大气压强成正比，随大气压强的增大而增大，因此，在高海拔山区的大气压强比在低海拔地区低，空气密度也较小。当气温升高，大气压强降低时，空气密度也随着减小；当气温降低，大气压强升高时，空气密度也随着变大。

风力发电机组的理论功率计算公式如下：

式（2）中，P——功率；ρ——空气密度（kg/m）；V——风速（m/s）；S——叶轮扫风面积（m2）；Cp——风轮效率，按Bets理论其最大理论值为0.593。

由式（2）可以看出，风能大小与气流通过的面积、空气密度和气流速度的立方成正比。因此，在风能计算中，最重要的因素是风速，风速取值准确与否对风能的估计有决定性作用，如风速大1倍，理论计算风能大约大8倍。

2.2 环境影响分析

风机所处地理环境的海拔高度、年度主风向、周围地表粗糙度是影响风速大小的主要原因（见表2）。

表2 金风S48/750风机所处地理位置经纬度

东1风机，位于山坡上，所处位置“北-东-南”为山体，受山体影响严重。东2、东3、东4风机位于山岭上，受周边山体高度影响小（见图1）。根据风玫瑰图可见“东北-东-东南”为主风向（见图2），在地里位置上主风向上东1受山体遮挡影响最大，加上风速至山体顶部有向上上升分力，所以在主风向上东1风机受到很大的影响。其他3台风机位置较好，受山体影响小。4台风机周围树木茂盛，地表粗糙度较大，也影响了风力，影响了风能的吸收（见图3）。

图1 金风S48/750风机微观选址

图2 风玫瑰图

图3 金风S48/750风机实际位置示例

2.3 安装角分析

金风S48/750风机属于失速型风力发电机组，其额定功率是依靠叶片失速型自身特性决定的，其叶片具有失速性能，而且失速性能只与风速有关，只要达到了叶片气动外形所决定的失速调节风速，无论是否满足输出功率，叶片的失速性能都能起作用，影响功率输出，因此对于同一类机型，叶片的失速点所对应的风速是不变的。安装角是叶根确定位置处翼型几何弦与叶片旋转所夹的角度，改变叶片安装角，可以改变叶片的失速调节对应风速（见图4）。

图4 叶轮旋转平面

调整安装角也就是调整叶轮吸收风能的能力。风机设计理论计算出的安装角是根据功率吸收最大化计算的，往往在理论计算时候与实际存在很大偏差，虽然理论计算可以满足功率曲线对应值，但可能不是实际风机所处位置年能量输出电量最多功率曲线；风机运行一年后，可根据各个风速区间频率计算，重新调整更适合实际情况的安装角，从而提高风能吸收量。假设当地风速以低风速7m/s为主，安装角应往“+”的方向调整，吸收低风速区间的风能能量；假设在风速为大风速8m/s以上为主，特别是在我国沿海地区山地上，受台风影响较大、夏季台风影响明显地区，安装角应往“－”的方向调整，延迟叶片失速调节风速，从而吸收更多的风能能量。

2.4 风速与功率分析

（1）2018年月平均风速与平均功率

从表3得出金风S48/750风机安装地2018年月平均风速大于7m/s的月份有1月、2月、10月、11月、12月共5个月，月平均风速在6~7m/s的月份有3月、4月、5月、6月、7月共5个月，月平均风速低于6m/s的月份有4月、8月共2个月，可见月平均风速主要集中在6~8m/s。

（2）2019年月1月~6月平均风速与平均功率

从表4得出金风S48/750风机安装地2019年1月~6月平均风速超过7m/s的月份有1月、2月、3月、4月、5月共5个月，月平均风速低于6m/s的月份有6月1个月，可见月平均风速主要集中在6~8m/s。

表3 金风S48/750风机安装地2018年月平均风速与平均功率

表4 金风S48/750风机安装地2019年月1月～6月平均风速与平均功率

（3）功率曲线

根据金风48/750风力发电机组（HT23.5叶片）标准功率曲线（见图5）、4台风机2018年1月~2019年6月实际功率曲线（见图6）、4台风机2019年1月~6月各月份功率曲线对比（见图7至图10），只有东2风机功率曲线比较接近于理论功率曲线。

图5 金风S48/750风力发电机组（HT23.5叶片）标准功率曲线

图6 东1、东2、东3、东4风机实际功率曲线（2018.1.1~2019.7.1）

图7 东1风机功率曲线（2019年1~6月）

图8 东2风机功率曲线（2019年1~6月）

图9 东3风机功率曲线（2019年1~6月）

图10 东4风机功率曲线（2019年1~6月）

（1）东1、东2、东3、东4风机在风速5~10m/s区间功率曲线相近，风速在5m/s启动时候比理论功率低大约20kw，风速在8m/s左右时比理论功率低大约50kW，风速在10m/s时比理论功率低大约100kW。

（2）风速10~15m/s出现偏差，其中东2风机最高功率为740kW，东1和东4最高功率660kW，东3最高功率为640kW。

（3）风速15m/s以上，东2风机能平缓进入失速，功率保持在720~800kW之间；东4风机失速不明显，功率在700~740kW之间；东1风机失速明显，功率在660~700kW之间；东3风机无失速现象，功率在620~700kW之间。

（4）除了东2风机，其他3台风机都未能达到满功率750kW运行。

2.5 偏航对风分析

偏航系统目的是使风机叶轮能正对风。理论上风机对风偏差角度在15°以内不需要偏航，偏航系统在正对风时候，叶片吸收风能为最大值（见图11）。

现场检查风机风向标基准点情况，经检查东1、东3风机风向标基准点未能正对风机机头，经查，由于维护工程师未能按要求安装风向标，风向标的基准点存在30°左右的偏差，导致风机未能捕捉到最大的风能。

运维人员可通过观察风速在10m/s以上时候对风机偏航测试，分别左偏约10°、右偏约10°，测试功率是否有变化。如测试结果功率无明显变化，可初步判断风向标安装正确；假设在左偏10°时候功率明显变小或报“风速大功率小”故障，右偏10°时候功率明显变大，那么可初步判断风向标安装基准点偏移向左边。

风向标的基准点可能安装错位180°，正对着机舱尾部，在小风期间很难发现风机缺陷。现场巡视可发现该风机机舱尾部正对风向，但由于功率变化不明显，风机风速与功率匹配未达到报警值，风机能够正常发电。此情况对风机的损害为最大，由于叶轮、齿轮箱的载荷都发生相反方向应力，长期运行齿轮箱低速轴可能会撕裂，严重时候叶轮可能掉落。巡视人员一旦发现某台风机对风与其他风机相反时候，应及时登机检查。

图11 金风S48/750风速仪安装情况

2.6 叶片涡流发生器

涡流发生器（见图12）实际上是以某一安装角垂直地安装在叶片表面上的小展弦比机翼，由于其展弦比小，因此翼尖涡的强度相对较强。这种高能量的翼尖涡与其下游的低能量边界层流动混合后，就把能量传递给了边界层，使处于逆压梯度中的边界层流场获得附加能量后能够继续贴附在机体表面而不致分离。

金风S48/750风机出厂一般不安装涡流发生器，该机型比较适合在新疆、内蒙、甘肃地区使用，以上地区主要风速区间在10m/s以上，风机首选考虑安装角的调节来吸收最大风能。而在我国沿海丘陵地带，风速主要集中在6~8m/s，需要安装涡轮发生器，增加风能附加量的吸收，通过综合计算，部分机组还需要结合调整安装来提高功率。在实际应用中，金风S48/750风力发电机组增加涡流发生器可以提高发电量大约3%左右。

3 结语

提高发电量是为了充分利用风资源，增加经济效益。金风S48/750风机由于叶片为定桨距设计，其理论发电量计算往往不能满足实际情况。在风机并网运行两年左右，应根据历史运行数据、功率曲线、风况等数值，参考以上几种发电量偏差方法进行分析。本文所提出的安装角调整、安装涡轮发生器等方法，在实际应用中已取得了有效作用。

图12 叶片涡轮发生器安装示意