基于实际台风工况的风电机组选型建议

文 | 杨衎

基于实际台风工况的风电机组选型建议

文 | 杨衎

目前在风电场风电机组选型时，设计单位通常基于项目现场测风数据，并结合历史长系列数据评估整个风电场风况条件，然后根据市场上满足项目现场需求的主流机组进行设备选型。而实际上，我国东南沿海地区常会受到台风影响，台风过境时，外围风速这种方式对处于台风边缘的沿海低风速风电场的工况特性考虑不够充分，可能会对机组寿命和可利用率产生不利影响。本文基于某沿海风电场台风过境时风电机组发电工况的运行数据，通过分析处理，提出沿海抗台风型机组如需利用台风外围大风区发电在选型时应注意的问题。

台风特性

台风即发生在热带海洋上空具有暖中心结构的强烈气旋性涡旋，总伴有狂风暴雨，常给受影响地区造成严重灾害，台风的垂直结构一般可达到10km左右，发展强烈的台风可一直伸展到对流层顶部。按其水平结构和天气现象大致可分为3个区域，即：眼区、涡旋区、外围大风区。

台风眼区，亦称为台风内圈，其直径一般为10km-60km，大的超过100km，小的不到10km，绝大多数呈圆形，也有椭圆形或不规则的。台风眼区一般天空少云或晴空，气压降至最低，风速迅速减小到4级以下，或静风。

台风涡旋区：亦称为台风中圈，是围绕台风眼分布着的一条最大风速带，宽度平均为10km-20km。它与环绕台风眼的云墙重合，台风中最强烈的对流、降水都出现在这个区域里，是台风破坏力最猛烈、最集中的区域。

外围大风区：亦称为台风外圈，直径通常为400km-600km，有时可达800km-1000km。常伴有分散性阵雨，风速一般6级-7级，并向内急剧增加。气压由外部开始缓慢下降并向内急剧下降。

通过对某台风影响区域台风路径经过和靠近测风塔区域的台风数据分析，风速分布近似成“M”型，即某一地区随着台风的靠近，风速先增大，后减小，再增大，随着台风远去风速减小。所测得风向角度变化为120°-180°，监测到的最大风向变化是在10分钟内变化了158°，结合台风路径图分析台风风向变化方向，得到台风风向变化趋势与路径方向的关系，即：当台风路径走向在测风位置的右侧、右上方或者上方时，风向沿逆时针变化；当台风路径走向在测风位置的左侧、左下方或者下方时，风向沿顺时针变化。

对于某些处于台风影响区域的沿海风电场，由于全年发电小时数不高，利用台风外围大风抢发电效益是提高风电场经济效益的必要手段。然而台风的基本特性与正常层流风的不同决定了台风区域风电机组选型不仅要考虑其极端风速情况，更应结合实际运行经验有其特殊的考虑。因此有必要针对台风特性对该区域风电机组的运行状态进行实测数据分析，以便为其他项目机组选型时做必要参考。

某沿海风电场台风过境期间的风速特性与机组特性

某沿海风电场，距离海岸线约20km，安装33台1500kW-77双馈风电机组，总装机容量5万千瓦。该风电场可研数据设计轮毂高度湍流强度（V=15m/s）为0.104，机组选型湍流强度等级为B级（0.14）。2013年8月，某14级强台风中心从风电场东部由南往北移动，风电场距台风中心约200km，全场处在七级台风风圈之内。

根据对风电场两座测风塔数据分析，在台风逐渐靠近的时段，同等高度下近海测风塔风速较靠内陆的测风塔风速大，湍流强度TI由于地表特征变化也产生一定波动。对于机组选型设计来说，IEC61400-1标准参考阵风系数1.4极限设计，极端大风设计加载湍流强度为0.11，根据实测数据发现风速各高于一定值时，前述两值随风速增大逐渐减小且趋于稳定，70m高度风速高于14m/s左右时，阵风系数稳定在1.25-1.36之间，而湍流强度TI也随风风速增大而迅速变小。特别是沿海地区地形条件相对平坦的区域，原机组的设计理念是合理的。但是对于大于额定风速且小于切出风速区段，原常规根据测风塔以及气象历史数据进行可研设计选型的风电机组湍流强度等级难以解决台风上升气流造成的不利影响。根据设计经验，湍流强度的大小，不但影响机组的疲劳载荷，还影响机组的极限载荷。因此本文将从台风对湍流强度的变化影响进行分析，以给出台风工况机组设计建议。为分析台风对湍流强度设计等级以及变桨系统动作的影响，现选取该风电场台风期间地表差异较大的两台风电机组（A机组与B机组）运行情况分析。

（一）A机组

取A机组某段运行数据，样本数据时间约为2h，时间分辨率为1s，如图1所示，为计算湍流强度TI（V=15m/s），尽可能选取10min平均风速为15m/s的区间，见表1。湍流强度与某个叶片桨距角动作相关性如图2所示。

（二）B机组

取B机组某段运行数据，样本数据时间约为2h，时间分辨率1s，如图3所示，为计算湍流强度TI（V=15m/s），尽可能选取数据处理后10min平均风速为15m/s的区间，见表2，湍流强度与某个叶片桨距角相关性如图4所示。

表1 A机组数据处理情况

表2 B机组数据处理情况

运行数据分析

根据IEC61400-1标准，关于风电机组等级分类如表3所示。

表中，参数值应用于轮毂高度

Vref：10min平均风速，

A：指定类别中高湍流特性，

B：指定类别中中湍流特性，

C：指定类别中低湍流特性，

Iref:：15m/s风速时湍流强度的预期值。

对于设计正常湍流模型来说，湍流强度定义：

其中δ1：湍流标准偏差，

据此湍流强度曲线如下图5所示。

可研报告中，该风电场设计机组选型湍流强度为B级，根据IEC61400-1以及前述表格数据，经处理得到理论湍流强度与实际台风情况下湍流强度的差异见图6所示。图6中三角形为B机组数据情况，方块为A机组数据情况。A与B之间的差异主要在于地形与地表差异（A机组周边地表较B机组粗糙和复杂）。由此可见台风涡旋区周边风况并不稳定，湍流强度处于设计临界，此外由于风杯仅测量水平风向数据，所以仅获得水平湍流强度，而台风是涡旋上升气流，加之周边机组的尾流效应，所以正常情况下其综合湍流强度实际值应该会更高，很可能超过B机组原设计等级。因此，这时台风外围区域机组在未切出仍然发电的情况下，机组承受的外部疲劳载荷将可能超过原设计，对机组寿命造成影响。

根据风电机组的控制策略，桨叶角度将会随着风速变化调整，根据图2与图4中关于湍流强度与编码器标准方差分析可见，编码器动作会随湍流强度变大而变大，但湍流强度TI与桨叶角度方差并无良好的线性关系，说明湍流强度变化对控制响应时间是有影响的。

根据表4中粗线框中的数据来看，风速增加时，桨叶动作以限制功率，但是变桨控制系统找准确的桨叶位置实际响应时间在1s以上，因此持续变化较大的台风工况对于变桨系统不利。由于风速的变化造成的变桨动作附加上设计湍流等级额外的载荷（包括台风伴着的暴雨），将可能提高变桨系统故障。而从机组实际运行情况看，此时机组变桨系统桨叶不同步故障比例也较高。

表3 风电机组等级分类表

表4 B机组某时段（分辨率1s）

总结

本文分析了某台风工况下某沿海风电场1.5MW机组的运行特性，针对前期机组选型时由于测风数据较短，导致可能出现的湍流强度无法满足台风运行工况设计不足的问题进行分析，进而对台风区域机组选型提出如下实际建议：

（1）台风区域风电机组选型时，应充分考虑台风过境特性，由于测风塔通常仅获得了水平方向的风速，应结合可研设计情况选取湍流强度等级较高的风电机组。

（2）在风电机组设计选型阶段，应充分考虑台风风速大，湍流强度高的特点，加强风电机组变桨系统执行机构的设计裕度。

（3）必要时可根据项目特点评估沿海风电场机组在台风涡旋区运行的经济性，重点考虑机组寿命与发电效益的平衡。

（4）进一步量化台风区域湍流强度还需统计更多台风样本结合地表情况进行分析总结。

（作者单位：广东粤电湛江风力发电有限公司）