海岛分散式风电项目风力发电机选型研究

张 弛

上海电气电站工程公司 上海 201199

1 研究背景

风能是一种储量丰富的可再生能源。二十世纪三十年代,丹麦、瑞典等国家开始试验小型风力发电装置,开启了风力发电技术发展的大幕。近年来,随着人类社会对电力需求的不断增大和保护环境要求的提高,风力发电的发展速度越来越快。截止至2019年上半年,我国风力发电累计装机容量达到193 GW,是六年前77 GW的两倍以上[1]。可见,风力发电发展前景广阔。

近年来,除集中上网的大型风电项目外,小型分散式风电项目也发展很快。分散式风电一般指靠近用电负荷中心,不以大规模远距离输送电力为目标的风力发电项目[2-3]。分散式风电就地消纳电能,可以最大程度避免弃风限电。随着风力发电机技术的发展,越来越多的风力发电机在3 m/s左右的微风状态下即可发电,这使分散式风电项目的环境适应性越来越强,非常适用于高原、山地、海岛等用电负荷有限,大电网不容易覆盖的地区。

东南亚某海岛拟建设额定容量为1.5 MW的分散式风电项目。笔者以这一项目为例,分析评估项目所在地风资源,针对不同型号风力发电机进行性能计算和对比,为项目主设备选型提供参考。

2 风资源评估

东南亚某海岛分散式风电项目位于季风气候带,冬季盛行东北季风,夏季盛行西南季风[4]。风速及风向测量高度为90 m,测量间隔为1 h。全年主导风向为东北风,风速小时变化曲线如图1所示,风向玫瑰图如图2所示。

图1 风速小时变化曲线

图2 风向玫瑰图

在风资源评估时,通常使用韦布尔双参数分布来拟合实际风速分布。风速概率密度函数f(v)为:

(1)

式中:v为风速;k为形状因子;c为尺度因子。

对于k、c,可以采用平均风速和最大风速估计法、矩估计法、最小二乘估计法等方法进行估计[6-7]。综合考虑参数估计的精准度和计算量,笔者采用矩估计法,按式(2)和式(3)求解k、c。

(2)

(3)

基于这一项目典型年风速数据进行统计,平均风速为5.77 m/s,风速数据标准差为3.05 m/s。代入式(2)、式(3)计算后得到k为2.00,c为6.52。

为校验项目测风点给出的典型年风速小时变化的合理性,将风速频率密度的观测值与韦布尔拟合值进行对比,如图3所示。

图3 风速概率密度对比

图3中,测风点观测值与韦布尔分布拟合值基本吻合,表明测风点风速观测值可以用韦布尔分布进行拟合,观测数据是可靠的。

3 风力发电机选型

这一项目总发电量为1.5 MW,可选择六台250 kW风力发电机、三台500 kW风力发电机、两台750 kW风力发电机等不同配置形式。

为对比不同配置形式之间的性能差异,分别选择单机容量250 kW的WES 250风力发电机、单机容量500 kW的Windflow 45风力发电机和单机容量750 kW的Nowin 47风力发电机进行评估。

WES 250风力发电机切入风速小于3 m/s,切出风速为25 m/s,可选最高塔杆高度为48 m。

Windflow 45风力发电机切入风速为4.5 m/s,切出风速为25 m/s,可选最高塔杆高度为47 m。

Nowin 47风力发电机切入风速为3 m/s,切出风速为25 m/s,可选塔杆高度范围为35～65 m,为便于对比,塔杆高度选为48 m。

三款风力发电机均为可变桨距形式,在空气密度1.225 kg/m3的标准测试环境下,风力发电机输出功率与风速的关系见表1,转换为功率曲线,如图4～图6所示。

表1 风力发电机输出功率与风速关系

图4 WES 250风力发电机功率曲线

4 修正与折减

4.1 风速修正

这一项目测风高度为90 m,对于所选三款容量为百千瓦级的小型风力发电机而言,90 m的塔杆高度是不适配的。因此,需要通过风速修正来得到风力发电机轮毂高度处的风速。

图5 Windflow 45风力发电机功率曲线

图6 Nowin 47风力发电机功率曲线

在近地层中,风速随高度的变化非常明显。通常而言,风速随高度变化的规律为:

v2=v1(z2/z1)α

(4)

式中:z2、z1为高度;v2、v1为对应高度下的风速;α为风切变因数。

风切变因数的大小反映了风速随高度变化的情况,风切变因数越大,随着高度的增大,风速加快越显著。影响风切变因数的主要因素是地面的粗糙度和大气的竖直稳定度[8-9]。

一般需要在不同高度设置测风塔,实测不同高度的风速,并进一步计算得到风切变因数。笔者仅掌握90 m高度风速,没有其它高度的实测风速数据,因此风切变因数取1/7作为近似值[10]。

对项目风速进行修正,计算得到48 m高度下平均风速降至5.28 m/s。修正后48 m高度风速小时变化曲线如图7所示。

图7 修正后48 m高度风速小时变化曲线

4.2 密度修正

风力发电机厂家提供的功率曲线通常都基于标准测试环境,大气压力为101.325 kPa,热力学温度为288.15 K,空气密度为1.225 kg/m3。一般风力发电机轮毂高度处的空气密度与标准状态下的空气密度有差异,这会对风力发电机的实际发电量产生影响[11]。

对此,可将标准状态下的空气密度修正至轮毂高度处的空气密度ρh:

(5)

式中:Th为风力发电机轮毂高度处的空气温度;ph为风力发电机轮毂高度处的大气压力。

如果空气温度和大气压力的测量点不在轮毂高度处,那么轮毂高度处的温度Th和压力ph可以通过换算得到,分别为:

Th=Tt-0.006 5×(Hh-Ht)

(6)

ph=pt-(Hh-Ht)/8

(7)

式中:Tt为测量高度处的空气温度;pt为测量高度处的大气压;Ht为测量高度;Hh为风力发电机轮毂高度。

得到轮毂高度处空气密度后,需要对风力发电机功率曲线进行密度修正[12]。单位时间内吹过风力发电机叶片扫风面积内的空气具有的动能w为:

w=ρhFv3/2

(8)

式中:F为风力发电机叶片扫风面积;v为风速。

由式(8)可知,在单位时间内吹过叶片的空气动能相等的前提下,轮毂中心的空气密度和风速的三次方成反比,即:

(9)

式中:ρh、ρ′h为不同时间点流过风力发电机轮毂高度处的空气密度;v、v′为对应空气密度下的风速。

由式(8)和式(9)可知,因为空气密度不同,实际状态下风力发电机的切入风速、切出风速、额定风速与理论曲线均有不同。原则上可以认为,当空气密度升高时,风力发电机只需要较慢的风速就可以达到额定输出功率。

当然,由于风速对风力发电机效率也有影响,吹过叶片的空气动能相等并不代表风力发电机输出功率也相等,以上密度修正方法并不能完全精确反映密度变化对风力发电机功率曲线的影响,但应用于工程项目前期性能评估是基本可行的。

4.3 折减因数

风力发电机厂家提供的功率曲线往往基于理想环境下的测试结果,风电项目中计算风力发电机实际发电量时还要考虑各项因素导致的折减,并对理论发电量进行修正[14-15]。

(1) 尾流折减。指风力发电机阵列中前排风力发电机尾流对后排风力发电机迎风面风速的影响,由于小型分散式风电项目中风力发电机数量少,因此不考虑尾流折减。

(2) 控制与湍流折减。指风向变化和湍流发生时风力发电机变桨、偏航调整对发电的影响,按因数0.95考虑。

(3) 机组利用率折减。指风力发电机及相关辅助设备正常停机检修对发电产生的影响,按因数0.95考虑。

(4) 风力发电机保证功率曲线折减。指风力发电机理论功率曲线和实际功率曲线的差异,按因数0.95考虑。

(5) 叶片污染折减。指风力发电机叶片在环境条件下产生污染,对输出功率的影响。本项目位于海岛,存在盐雾影响,按因数0.95考虑。

(6) 厂用电及线损。指风电场电气设备自用电和线路损耗的影响,按因数0.95考虑。

(7) 其它折减。包括需求侧波动、气候影响、计算误差等引起的折减,按因数0.95考虑。

综合考虑以上因素的影响,这一项目风电场实际发电量计算时的综合折减因数为0.735。

5 性能计算和对比

基于前述风力发电机选型和修正方法,编写计算机程序,以线性插值的方式对照三款风力发电机功率曲线计算典型年理论发电量小时变化情况,再乘以折减因数,得到三款风力发电机年实际发电量。风力发电机性能计算结果见表2。

表2 风力发电机性能计算结果

对比可知,三款风力发电机中,WES 250和Nowin 47年运行时间更长,这得益于这两款风力发电机的切入风速较低。Windflow 45切入风速为4.5 m/s,年运行时间仅5 272 h,短于其它两款风力发电机。这表示WES 250和Nowin 47可以在全年更多时间内保证有电力输出。

对比年实际发电量和等效满负荷运行时间,情况则有所不同。三台Windflow 45全年实际发电量达到1 629.9 MWh,高于六台WES 250的发电量1 448.9 MWh,也高于两台Nowin 47的发电量1 459.6 MWh。同样,Windflow 45的年等效满负荷运行时间可以达到1 087 h,长于WES 250的966 h和Nowin 47的973 h。

为研究Windflow 45在更短运行时间内发电量更大的原因,将三款风力发电机的功率曲线纵轴单位变为输出功率与额定功率的比值,并将三条功率曲线绘制在同一坐标系下,如图8所示。

图8 风力发电机功率曲线对比

图8中,Windflow 45虽然切入风速较其它两款风力发电机高,但输出功率随风速加快而提高的速率更快,表现为功率曲线更为陡峭。相比其它两款风力发电机,Windflow 45可以在更低的风速下快速接近并达到额定功率。因此,在本项目风速条件下,Windflow 45全年发电量更高。

6 结论

笔者以东南亚某海岛分散式风电项目为例,对当地风资源进行评估,并对风力发电机选型展开研究。

(1) 项目位于东南亚某海岛,属于季风气候带,全年主导风向为东北风。90 m高度测风点测得全年平均风速为5.77 m/s。项目典型年风速分布可以用韦布尔双参数分布拟合,风速数据可靠。

(2) 项目总容量为1.5 MW,拟选择WES 250、Windflow 45、Nowin 47三款额定功率为250 kW～750 kW的变桨距风力发电机。针对测风高度和备选风力发电机塔杆高度不匹配的问题,研究了标准状态下功率曲线的密度和风速修正方法。同时结合项目边界条件,将项目综合折减因数设置为0.735。

(3) 经性能计算和对比,发现WES 250和Nowin 47切入风速低,全年运行时间长。Windflow 45虽然全年运行时间稍短,但由于升负荷速率更快,在较短的时间内可以提供更大的发电量。