提高高原型风电机组气动性能的几种措施

钟贤和，李杰，戚中浩

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

提高高原型风电机组气动性能的几种措施

钟贤和，李杰，戚中浩

(东方电气风电有限公司，四川德阳，618000)

文章分析了高原型风电机组的运行特点，并与常规风机进行了比较，提出了诸如提高风机额定转速、降低叶片设计叶尖速比、提前变桨等提高高原型风机气动性能的措施。

高原型风电机组，气动性能，叶尖速比，提前变桨

0 引言

随着国内 “三北”以及东南沿海等地区优质风资源的大规模开发，其后续开发项目逐渐减少，云、贵、川等高原地区逐渐成为今后风资源开发的热点地区。由于高原地区空气密度较低，根据低海拔地区设计的风电机组应用于高原地区后更易出现失速等问题；另外，为了捕获更多的风能，目前风电叶片存在普遍加长的现象，高原地区长叶片的应用，将使风电机组的失速问题更加严重。因此，研究高原地区风机的运行特点，采用针对性措施提高其气动性能尤为重要。

1 风电机组运行特点介绍

要了解高原型风电机组的运行特点，首先需要了解常规风电机组的运行特点。现代兆瓦级风力发电机组主要为变速变桨风机，其运行曲线如图1所示，主要可以分为4个区域：

图1 风电机组功率曲线

·最低转速区域：从切入风速到V1段，此段风轮转速稳定在最小转速，叶尖速比 （TSR）随风速增大而减小，偏离最佳叶尖速比，功率系数Cp在最大功率系数以下。

·最佳运行区域：从V1到V2段，桨距角保持不变，风轮转速随风速成正比增加，机组运行在设计叶尖速比，Cp保持最大值。

·次最佳运行区域：从V2到额定风速Vr，转速达到额定值，不再随风速增加，桨距角也仍然保持不变，叶尖速比随风速增大而减小，Cp开始下降。

·额定功率区域：从Vr到切出风速，转速和功率均维持在额定值，桨距角随风速增大而增大，以减小叶片攻角、降低Cp，使风机功率维持在额定值。

当风速从V2增大至Vr时，叶尖速比和Cp不断减小，叶片的攻角不断增大，叶片攻角从α增大到α'（如图2所示）。当Vr达到一定值时，叶片攻角将增加至超过失速攻角，叶片失速。因此，增大V2，可拓宽最佳运行区域，缩小次最佳运行区域并减小Vr，提高风机发电量。

图2 叶片V2和Vr时的速度三角形

V2等于额定转速时的叶尖线速度和最佳叶尖速比 （TSR-opt）的比值，提高转速和降低最佳叶尖速比均可以提高V2，而V2的提高又能够降低Vr，从而提高发电量。

2 高原型风机的主要特点

相对于低海拔地区，高原地区空气密度较低，额定风速Vr较大，次最佳区域较宽，叶尖速比和Cp更大地偏离最佳值，攻角上升得更高，叶片更容易失速。如图3所示的某风机在不同空气密度下的功率曲线，当空气密度由1.225 kg/m3下降到1 kg/m3时，额定功率时的叶尖速比由7.05下降到5.86，Cp相应由0.38下降到0.28，导致次最佳区域扩大。当空气密度进一步下降时，叶片将失速。

图3 不同空气密度时风机功率曲线 （相同叶片）

图4为V2对应的叶尖速比 （TSR=9.97）和不同空气密度下Vr对应的3个叶尖速比 （TSR= 7.05、5.86、5.52对应的空气密度分别为1.225 kg/ m3、1 kg/m3和0.863 kg/m3）的叶片各截面攻角，在叶尖速比为最佳值时，叶片攻角在5°左右，此时翼型的升阻比最大，气动效率最高。在标准空气密度下，随着风速的增大，攻角增加，当到达额定风速时，叶片各个截面的攻角增加2°～10°，叶根35%区域以内出现失速。在额定风速Vr时，叶片同一截面位置处，空气密度越低，攻角越大。在空气密度为0.863时，除叶尖5%以外区域，其余截面攻角均超过12°，攻角大于各截面翼型的失速攻角，最终导致整个叶片失速。

图4 不同叶尖速比下叶片各截面的攻角

3 提高高原型风机气动性能的几个措施

要解决高原型风机的失速问题，首先考虑的是增大V2，增加V2的方法有2种：一种是提高风机的额定转速，另一种方法是降低叶片的设计叶尖速比，这种需要重新设计叶片。其次考虑采用提前变桨，即在额定功率以前增大桨距角，这样可以减小额定功率时叶片的攻角，避免在额定功率下叶片大范围失速。

3.1 提高风机额定转速

提高额定转速可以扩大最佳运行区域，在缩小次最佳区域的同时提高整个次最佳区域的Cp和功率，从而也降低Vr。图5给出了2种不同额定转速时的功率曲线，当额定转速从17.3 r/min增大到19 r/min时，V2至Vr段的功率明显提高，提高幅度最高达18%，额定风速也从13.9 m/s下降到12.8 m/s，失速现象也基本得到解决。

图5 不同额定转速下风机的功率曲线

提高额定转速可以通过提高发电机额定转速和降低齿轮箱速比2种方法来实现，如果降低齿轮箱速比，在Vcut_in～V1段的低风速段功率会有所下降。不过，额定转速的增大会带来摆振载荷的增大。

3.2 降低叶片的设计叶尖速比

同提高额定转速来增大V2的原理一样，通过降低设计叶尖速比也可以扩大最佳运行区域，在缩小次最佳区域的同时提高整个次最佳区域的Cp和功率，从而也降低Vr。如图6所示，将叶片设计叶尖速比从10减小到9，V2至Vr段风机的功率明显提高。

图6 不同设计叶尖速比下风机的功率曲线

叶片的设计叶尖速比取决于叶片的外形，同一种叶片，其设计叶尖速比是固定不变的。对于采用相同翼型的叶片，可通过增大叶片弦长来降低叶片设计叶尖速比。当然，弦长越大，载荷也会有所增大，需要设计时综合考虑。

3.3 提前变桨

由于在额定风速附近时，叶片攻角较大，所以较易失速。如果在额定风速前就提前变桨 （增大桨距角），即图2中叶片的扭角θ将增大，叶片的攻角将减小，从而避免叶片失速，提高机组功率。图7为空气密度为0.863 kg/m3的功率曲线，在11 m/s风速提前变桨到3°，11～14 m/s风速段的Cp和功率比正常变桨有明显提高，额定风速也有所降低。

Several Methods to Improve Aerodynamic Performance of High Attitude Wind Turbines

Zhong Xianhe，Li Jie，Qi Zhonghao

（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan,618000）

The operation characteristics of high attitude wind turbines had been analyzed and compared with common wind turbines.Methods to improve aerodynamic performance of high attitude wind turbines had been presented,such as increasing the rated rotate speed,reducing the design tip speed ratio of blade and pitching ahead of schedule.

high attitude wind turbines,aerodynamic performance,tip speed ratio,pitching ahead of schedule

TK472

A

1674-9987（2015）03-0026-03

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2015.03.007

钟贤和 （1980-），男，高级工程师，工学硕士，2004年毕业于重庆大学热能动力工程专业，现从事风电叶片设计工作。