微风速风机特征风速及风轮大小选择的研究

黄爱武

(许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000)

A Study of Basic Parameters of Breeze Turbines

HUANG Aiwu

(Xuchang Xuji Wind Power Technology Co.,Ltd.,Xuchang 461000,China)



微风速风机特征风速及风轮大小选择的研究

黄爱武

(许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000)

AStudyofBasicParametersofBreezeTurbines

HUANGAiwu

(XuchangXujiWindPowerTechnologyCo.,Ltd.,Xuchang461000,China)

摘要：根据我国风力发电基础技术研究相对薄弱的特点，通过比对国内外有关资料，给出我国中东部地区微风速风场的风速特征参数以及适宜的空气密度特征参数，弥补了国内微风速风场相关数据不足的空白；进而研究了2 MW微风速风机额定风速的确定办法，以及2 MW微风速风机的风轮大小、切入风速、切出风速的计算和选取方法；最后，通过提出CP-v曲线拟合假说，从业主的投资与收益角度出发，给出一种风机风轮大小选择的方法和辅助参考。

关键词：微风速风场；仿真；额定风速；风轮大小；CP-v曲线

0　引言

微风速风机可分为高原型和非高原型，其中高原型风机，由南车风电在2008年率先进行了研发；非高原型风机，由远景能源在2009年推出了首台微风速机型。国内风电主要通过许可证生产、联合开发和合资生产等方式获得生产技术，大多数企业不具备独立开发设计风电整机的能力，缺乏基础研究和人才积累，自主研发能力不足，配套零部件的研发和产业化水平较低[1]。研发时期的准备不足而导致的一系列问题以及风机运行中的不稳定现象，逐渐暴露出来[2]。在这种背景下，类比研发的MW级微风速风机，同样存在基础性研究滞后和不扎实的问题。

为此，首先对相关基础数据进行了研究，以填补基础数据不足的空白，进而，针对国内近年研发的微风速风机风轮大小不一等情况[3]，重点研究了具有发展潜力的2MW微风速风机相关基础参数。

1　微风速风场特征参数的现状

目前，我国MW级风机塔筒高度多在80m，但国内较权威的《中国风能资源评估报告(2009)》[4]中尚没有该高度的风场风资源数据；另外，水电水利规划设计总院于2014年9月25日完成《各省(区、市)风能资源开发规划研究报告》[5]。报告中也仅提出70m高度风能资源技术可开发量统计要求。据此分析，我国风场的基础数据研究，较风机的研发滞后。

为此，借鉴国外风机认证规范GL2010[6]，对属于特殊风场的微风速风机(S类)，也没有给出相关的风场特征数据。因此，国内这些基础数据几乎空白。

2　微风速风场风速特征的确定

在风场中，年平均风速Vave最能反映风资源情况，是有效利用风能的重要参数之一；参考风速Vref及风场风速的湍流强度，是防范风机倒塔[7]或主要部件损坏等重大风险发生的重要参数。

以我国中东部地区10m高年平均风速为6m/s的微风速风场为对象，研究上述相关参数。

2.1微风速风场的特征参数初拟

解读GL2010规范中关于风场等级划分[6]和《风电场安全风速计算方法研究》的相关数据[7]，可以看出：

a.I、II、III类风场中，其参考风速与年平均风速的比值恒定，均为Vref/Vave=5。

b.50年一遇极端风速与年平均风速的比值恒定，均为Vmax/Vave=7。

据此，可初步推断，对于年平均风速为6m/s的微风速风场，初拟其参考风速Vref=30m/s；50年一遇极端风速Vmax50为42m/s，湍流因子A,B等仍沿袭GL2010中的表述。

2.2微风速风场的风速分布

据有关资料[8]，对风速分布相对集中的风场，采用威布尔分布模型就基本能够描述这类风场的实际风速情况。我国的风场符合此条件，为此，拟研究威布尔分布函数[6]：

(1)

PW(Vhub)为威布尔累积概率分布函数；Vhub为风机轮毂处的风速;C为威布尔分布的尺度参数;K为威布尔分布的形状参数。

(2)

Vave为风机轮毂处的年平均风速，根据风速垂直切变规律，可由风场附近10m高气象站的年平均风速和轮毂高度估算出。

2.2.1中东部地区风速的垂直切变规律

大约在300m之下的高度内，平均风速随高度的增加而增加。这一切变规律可用指数律的关系式更好地拟合[9]。其指数律为：

(3)

VZave为离地高度Z处的平均风速；Z为离地高度；VZ10ave为离地参考高度Z10处的平均风速；Z10为离地10 m的高度；α为风速廓线指数。

在GL2010中，通常取α=0.2[6]。参考我国风况研究资料，海面风速廓线平均指数值α=0.14；内陆平原平坦地形α=0.17[10]。根据中东部地区冲积平原地貌的特点，取α=0.17。

2.2.2轮毂(塔筒)高度的选取

目前，2 MW风机的塔高为80～90 m，风轮大小从82～114 m不等[3]。因风轮越大，叶尖上下的风速差别越大，为减少这些差别，现对塔高和叶尖风速综合研究。对80 m和90 m轮毂高度处的年平均风速，由式(3)及α=0.17，经Matlab仿真，可得结果如图1所示。

图1　风速在风轮(直径为110 m)上的垂直切变

由图1可看出，塔高90 m时，其叶尖风速差别小于2 m/s，而塔高80 m时，其叶尖风速差别大于2 m/s。由于风载与风速的平方成正比[6]，叶尖风速差别越小，风轮的附加倾覆力矩就越小，越有利于风机安全运行。因此，直径为110 m的风轮宜选取90 m的塔高。

由式(3)，可得塔高90 m处的轮毂年平均风速为：

VZ90ave=90.17×VZ10ave≈1.45VZ10ave

(4)

VZ90ave为塔高90 m处的年平均风速；VZ10ave为当地气象站10 m处的年平均风速。

2.2.3风场轮毂处的风速概率密度分布

由式(2)和式(4)，可知90 m轮毂处的风速分布为：

PR(Vhub)=1-exp{-π[Vhub/(2×

1.45VZ10ave)]2}

(5)

针对风场附近10 m高气象站的年平均风速VZ10ave，由式(5)，经Matlab仿真，可得到微风速风场塔高90 m处的风速分布特征曲线及特征值，仿真结果如图2所示。

通过图2可以直观看出当微风速风场中的参考

图2　微风速风场塔高90m处风速分布特征

风速为30 m/s时，其发生概率已经接近0。但考虑风机20年运行期间的安全，对于微风速地区(S类)，用90 m轮毂处年平均风速进行修订，可得到微风速地区风场特征风速如表1所示。

表1　微风速风场的特征风速　m/s

2.3微风速风场的空气密度的确定

根据《中国风能资源评估报告(2009)》的研究表明，距沿海30～100 km之间，风速基本恒定[4]，空气湿度受海洋影响程度也将降低；另据有关资料表明[11]，我国中东部地区的大气压力基本恒定在100 kPa左右，此时，可仅考虑海拔和温度的影响，采用如下经验公式计算空气密度：

ρ=(353.05/Tave)×e[-0.034×(Zave/Tave)]

(6)

Tave为风场年平均气温；Zave风场平均海拔高度加轮毂高度。

据有关资料[11-12]，并结合编程计算，可得冬春季节平均空气密度ρ=1.257 kg/m3，夏季平均空气密度ρ=1.213 6 kg/m3。考虑夏季风湿度大，空气密度也会适当加大的特点，选取我国中东部地区的空气密度为ρ=1.25 kg/m3。

3　微风速风机的特征参数

3.1微风速风机单机容量的拟定

风机的收益由上网发电量Ewt和上网电价决定。上网发电量Ewt为：

Ewt=Pwt·te

(7)

te为风机的年等效满发小时数；Pwt为风机的额定功率，即风机的单机容量。

因te往往低于预期,如表2所示[13]，为获得更多的发电量Ewt，宜于研发大容量风机。根据目前的技术水平，3 MW以上的微风速风机风轮过大，主轴轴承的制造和结构设计技术暂不成熟，所以，从技术相对成熟的1.5 MW和2 MW风机[3]中，选取单机容量Pwt为2 MW的风机为研究对象。

表2　典型机型下的几种风能资源上网发电量

3.2微风速风机额定风速的选取

为避免风机频繁变桨，保证稳定运行，风机的额定风速宜与风场中风频最大的风速值对应。由图2可看出，风频概率最大处出现在9～10 m/s之间。

据有关资料研究表明[14]，由于额定风速的提高，会导致风机71.4%的部件成本相应提高。因此，额定风速的选取不宜过高。为此，研究拟选微风速风机的额定风速为Vrat=9 m/s。

3.3微风速机组风轮大小的计算

风机风轮大小与风机单机容量Pwt相关，由贝茨风能捕获理论[15]，以及风机的传递效率η，可得风轮直径为:

(8)

Pwt为风机单机容量，取Pwt=2 000 000 W。

η为风机传递到电网的总效率，为机械传动系统效率η1、发电机的效率η2、变流器和变压器等传到电网的效率η3的乘积；因2 MW风机总效率通常大于ηmin=0.97×0.97×0.85≈80%，为计算方便和取值合理，现取平均运行效率η=0.9。

Vrat为风机的额定风速，取Vrat=9 m/s。

CPmax为风轮的风能最大利用系数，贝茨极限为0.593，通过叶片翼型的设计可得实际最优值为0.52[15],取实际最优值0.52。

ρ为空气密度，取ρ=1.25 kg/m3。

这样，可得2 MW微风速机组风轮大小为：

(9)

据此，我国中东部地区的2MW微风速风机风轮直径选取为110m为宜。

3.4微风速风机切入风速的计算

切入风速时，风机所有的消耗功率约为风机额定功率的1%，处于上网发电的临界状态，即此时风轮吸收的风能全部用于风机的自身消耗。

由贝茨风能捕获理论[15]，可知：

(10)

Vin为风机的切入风速。

现取风轮直径为D2MW=110 m，其他参数按前述，可推导出风机的切入风速Vin

=4.015≈4

(11)

由式(11)，我国中东部地区的2 MW微风速风机的切入风速选取为4 m/s为宜 。

3.5微风速风机切出风速的讨论

由图2及大数定律可知，在26.7 m/s以下的风速可包含99.74%以上风场中的风速。这些风速如果均被有效利用，可最大程度地提高风机的年等效满发小时数te。因此，切出风速应尽量接近于26.7 m/s。

基于风机安全考虑，常见的Vout为20 m/s或25 m/s，这里建议选取Vout=25 m/s。

4　选择风机风轮大小的方法

4.1微风速风机CP-v关系的拟合假说

据有关资料[14]，将某1.2 MW风机实测的风速与CP值拟合曲线如图3，可以看出，其与瑞利概率密度分布曲线相似。

由此，考虑CP-v曲线也用瑞利分布曲线拟合。则可得到如下关系：

(12)

图3　某1.2 MW风机实测的CP值CP-v的关系拟合

4.2风轮大小的选择

风轮大小的计算流程如图4所示。

因目前标杆上网电价为0.61 元/(kW·h)，扣除运行和维护成本约0.11 元/(kW·h)，最大收益

图4　风轮大小初选的计算流程

为0.50元/(kW·h)；一般风机5年后因更换油品等易造成运维成本激增。因此，考虑5年内总投资与收支平衡，对投资按10%进行折现，从2 MW风机叶片直径80 m开始，计算一种5年后收支平衡点为0处对应的风轮大小。

输入某风场50 000 kW的风电场总投资成本3亿元，折现率10%，风机平均竞标价为4500元/kW，风场年平均温度为12 ℃，平均海拔为300 m，风场附近气象站年平均风速为6 m/s，切入风速为4 m/s，切出风速为25 m/s等数据，通过运行编制的程序，运行结果如图5所示。

图5　运行实例的风速拟合及收益状况

由图5可知，上述风场内风轮直径110 m的2 MW微风速风机可在5年内收回成本。

5　结束语

由上述研究可知，对于我国中东部微风速地区，宜定义为风场附近气象站年平均风速不超过6 m/s，年平均空气密度为1.25 kg/m3，年风速不超过42.5 m/s、50年一遇极大风速不超过59.5 m/s；宜开发的风力发电机组，以2 MW为主，其额定风速为9 m/s，切入风速4 m/s，切出风速25 m/s，风轮大小为110 m；对于风轮大小的选择，也可根据创新的CP-v拟合算法, 从收益平衡角度通过编程选择，这一方法法也可供设计人员辅助参考。

参考文献：

[1]孟卫平，李平，司林波.我国风电设备整机制造业的现状及对策分析[J].燕山大学报:哲学社会科学版，2011，11(2)：46-51.

[2]周超，朱熀秋，魏杰,等.我国风力发电发展现状及问题分析[J].能源研究与信息，2012，28(2)：69-74.

[3]中国风能协会.1.5 MW、2 MW风电机组风轮直径发展趋势[EB/OL]. http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MjM5Njc0ODgwNA==&mid=200181367&idx=1&sn=3c8b9d32a8e6979be035d85b30a709ab&3rd=MzA3MDU4NTYzMw==&scene=6#rd, 2014-04-25.

[4]中国气象局风能太阳能资源评估中心.中国风能资源评估报告(2009)[M].北京：气象出版社，2010.

[5]水电水利规划设计总院. 各省(区、市)风能资源开发规划研究报告编制大纲[EB/OL]. http://www.renewable.org.cn/shownews.jsp?id=8ad6808848105f6c0148aee735400036&funid=95 modulid=7&type=content,2014-09-25.

[6]GL 2010，Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2010[S].Hamburg:Germanischer Lloyd,2010.

[7]张江华. 风电场安全风速计算方法研究[J].黑龙江电力，2007，29(6)：450-452.

[8]王淼，曾利华. 风速频率分布模型的研究[J].水力发电学报，2011，30(6)：204-209.

[9]张玉良,李仁年,李晓鹏,等.基于迭代算法的最小风轮直径数学模型[C]//中国工程热物理学会.2007年流体机械学术会议论文集，2007：217-221.

[10]薛桁,朱瑞兆,杨振斌. 沿海陆上风速衰减规律[J].太阳能学报，2002，23(2)：207-210.

[11]百度文库. 全国各地海拔高度及大气压[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/ef0dcce919e8b8f67c1cb98b.html?from=rec&pos=0&weight=19. 2011-05-06.

[12]王振坤. 中国气候(气温和降水)[EB/OL].http://wenku.baidu.com/view/12b23ae8d15abe23482f4d66.html.2013-11-25.

[13]王晓林.风功率密度等级划分和风能区划的修订建议[J].电力技术，2010，19(8)：450-452.

[14]屈圭，林峰.1.2MW风电机叶轮气动性能分析与仿真[J].暨南大学学报：自然科学版，2009，30(5)：523-527.

[15]廖明夫，Gasch RTwele J.风力发电技术[M].西安：西北工业大学出版社，2009.

Abstract:In view of the lack of current research on wind power and the present situation of China, the characteristic parameters of the wind fields in Central-Eastern China are given by comparing national and foreign data. This paper fills a gap in the research on national breeze wind turbines by calculating basic parameters for the breeze turbine, such as rated wind speed, the wind wheel diameter, the cut-in and cut-out wind speeds of 2 MW turbines. Finally, by providing a hypothesis on the closest fit CP-v curve, and analyzing from the perspective of the owner’s investment and return on investment, this paper provides a method and a reference source for selecting the wind wheel size of a breeze speed fan.

Key words:wind field; simulation; rated wind speed; wind wheel size;CP-v curve

作者简介：黄爱武(1969-)，男，河南洛阳人，高级工程师，兼职教授，主要从事风机高级过程质量控制、风电齿轮箱研发等工作。

收稿日期：2015-01-05

文章编号：1001-2257(2015)06-0038-05

文献标识码:A

中图分类号:TK81