基于實際臺風工況的風電機組選型建議

文 | 楊衎

基于實際臺風工況的風電機組選型建議

文 | 楊衎

目前在風電場風電機組選型時，設計單位通常基于項目現場測風數據，并結合歷史長系列數據評估整個風電場風況條件，然后根據市場上滿足項目現場需求的主流機組進行設備選型。而實際上，我國東南沿海地區常會受到臺風影響，臺風過境時，外圍風速這種方式對處于臺風邊緣的沿海低風速風電場的工況特性考慮不夠充分，可能會對機組壽命和可利用率產生不利影響。本文基于某沿海風電場臺風過境時風電機組發電工況的運行數據，通過分析處理，提出沿海抗臺風型機組如需利用臺風外圍大風區發電在選型時應注意的問題。

臺風特性

臺風即發生在熱帶海洋上空具有暖中心結構的強烈氣旋性渦旋，總伴有狂風暴雨，常給受影響地區造成嚴重災害，臺風的垂直結構一般可達到10km左右，發展強烈的臺風可一直伸展到對流層頂部。按其水平結構和天氣現象大致可分為3個區域，即：眼區、渦旋區、外圍大風區。

臺風眼區，亦稱為臺風內圈，其直徑一般為10km-60km，大的超過100km，小的不到10km，絕大多數呈圓形，也有橢圓形或不規則的。臺風眼區一般天空少云或晴空，氣壓降至最低，風速迅速減小到4級以下，或靜風。

臺風渦旋區：亦稱為臺風中圈，是圍繞臺風眼分布著的一條最大風速帶，寬度平均為10km-20km。它與環繞臺風眼的云墻重合，臺風中最強烈的對流、降水都出現在這個區域里，是臺風破壞力最猛烈、最集中的區域。

外圍大風區：亦稱為臺風外圈，直徑通常為400km-600km，有時可達800km-1000km。常伴有分散性陣雨，風速一般6級-7級，并向內急劇增加。氣壓由外部開始緩慢下降并向內急劇下降。

通過對某臺風影響區域臺風路徑經過和靠近測風塔區域的臺風數據分析，風速分布近似成“M”型，即某一地區隨著臺風的靠近，風速先增大，后減小，再增大，隨著臺風遠去風速減小。所測得風向角度變化為120°-180°，監測到的最大風向變化是在10分鐘內變化了158°，結合臺風路徑圖分析臺風風向變化方向，得到臺風風向變化趨勢與路徑方向的關系，即：當臺風路徑走向在測風位置的右側、右上方或者上方時，風向沿逆時針變化；當臺風路徑走向在測風位置的左側、左下方或者下方時，風向沿順時針變化。

對于某些處于臺風影響區域的沿海風電場，由于全年發電小時數不高，利用臺風外圍大風搶發電效益是提高風電場經濟效益的必要手段。然而臺風的基本特性與正常層流風的不同決定了臺風區域風電機組選型不僅要考慮其極端風速情況，更應結合實際運行經驗有其特殊的考慮。因此有必要針對臺風特性對該區域風電機組的運行狀態進行實測數據分析，以便為其他項目機組選型時做必要參考。

某沿海風電場臺風過境期間的風速特性與機組特性

某沿海風電場，距離海岸線約20km，安裝33臺1500kW-77雙饋風電機組，總裝機容量5萬千瓦。該風電場可研數據設計輪轂高度湍流強度（V=15m/s）為0.104，機組選型湍流強度等級為B級（0.14）。2013年8月，某14級強臺風中心從風電場東部由南往北移動，風電場距臺風中心約200km，全場處在七級臺風風圈之內。

根據對風電場兩座測風塔數據分析，在臺風逐漸靠近的時段，同等高度下近海測風塔風速較靠內陸的測風塔風速大，湍流強度TI由于地表特征變化也產生一定波動。對于機組選型設計來說，IEC61400-1標準參考陣風系數1.4極限設計，極端大風設計加載湍流強度為0.11，根據實測數據發現風速各高于一定值時，前述兩值隨風速增大逐漸減小且趨于穩定，70m高度風速高于14m/s左右時，陣風系數穩定在1.25-1.36之間，而湍流強度TI也隨風風速增大而迅速變小。特別是沿海地區地形條件相對平坦的區域，原機組的設計理念是合理的。但是對于大于額定風速且小于切出風速區段，原常規根據測風塔以及氣象歷史數據進行可研設計選型的風電機組湍流強度等級難以解決臺風上升氣流造成的不利影響。根據設計經驗，湍流強度的大小，不但影響機組的疲勞載荷，還影響機組的極限載荷。因此本文將從臺風對湍流強度的變化影響進行分析，以給出臺風工況機組設計建議。為分析臺風對湍流強度設計等級以及變槳系統動作的影響，現選取該風電場臺風期間地表差異較大的兩臺風電機組（A機組與B機組）運行情況分析。

（一）A機組

取A機組某段運行數據，樣本數據時間約為2h，時間分辨率為1s，如圖1所示，為計算湍流強度TI（V=15m/s），盡可能選取10min平均風速為15m/s的區間，見表1。湍流強度與某個葉片槳距角動作相關性如圖2所示。

（二）B機組

取B機組某段運行數據，樣本數據時間約為2h，時間分辨率1s，如圖3所示，為計算湍流強度TI（V=15m/s），盡可能選取數據處理后10min平均風速為15m/s的區間，見表2，湍流強度與某個葉片槳距角相關性如圖4所示。

表1 A機組數據處理情況

表2 B機組數據處理情況

運行數據分析

根據IEC61400-1標準，關于風電機組等級分類如表3所示。

表中，參數值應用于輪轂高度

Vref：10min平均風速，

A：指定類別中高湍流特性，

B：指定類別中中湍流特性，

C：指定類別中低湍流特性，

Iref:：15m/s風速時湍流強度的預期值。

對于設計正常湍流模型來說，湍流強度定義：

其中δ1：湍流標準偏差，

據此湍流強度曲線如下圖5所示。

可研報告中，該風電場設計機組選型湍流強度為B級，根據IEC61400-1以及前述表格數據，經處理得到理論湍流強度與實際臺風情況下湍流強度的差異見圖6所示。圖6中三角形為B機組數據情況，方塊為A機組數據情況。A與B之間的差異主要在于地形與地表差異（A機組周邊地表較B機組粗糙和復雜）。由此可見臺風渦旋區周邊風況并不穩定，湍流強度處于設計臨界，此外由于風杯僅測量水平風向數據，所以僅獲得水平湍流強度，而臺風是渦旋上升氣流，加之周邊機組的尾流效應，所以正常情況下其綜合湍流強度實際值應該會更高，很可能超過B機組原設計等級。因此，這時臺風外圍區域機組在未切出仍然發電的情況下，機組承受的外部疲勞載荷將可能超過原設計，對機組壽命造成影響。

根據風電機組的控制策略，槳葉角度將會隨著風速變化調整，根據圖2與圖4中關于湍流強度與編碼器標準方差分析可見，編碼器動作會隨湍流強度變大而變大，但湍流強度TI與槳葉角度方差并無良好的線性關系，說明湍流強度變化對控制響應時間是有影響的。

根據表4中粗線框中的數據來看，風速增加時，槳葉動作以限制功率，但是變槳控制系統找準確的槳葉位置實際響應時間在1s以上，因此持續變化較大的臺風工況對于變槳系統不利。由于風速的變化造成的變槳動作附加上設計湍流等級額外的載荷（包括臺風伴著的暴雨），將可能提高變槳系統故障。而從機組實際運行情況看，此時機組變槳系統槳葉不同步故障比例也較高。

表3 風電機組等級分類表

表4 B機組某時段（分辨率1s）

總結

本文分析了某臺風工況下某沿海風電場1.5MW機組的運行特性，針對前期機組選型時由于測風數據較短，導致可能出現的湍流強度無法滿足臺風運行工況設計不足的問題進行分析，進而對臺風區域機組選型提出如下實際建議：

（1）臺風區域風電機組選型時，應充分考慮臺風過境特性，由于測風塔通常僅獲得了水平方向的風速，應結合可研設計情況選取湍流強度等級較高的風電機組。

（2）在風電機組設計選型階段，應充分考慮臺風風速大，湍流強度高的特點，加強風電機組變槳系統執行機構的設計裕度。

（3）必要時可根據項目特點評估沿海風電場機組在臺風渦旋區運行的經濟性，重點考慮機組壽命與發電效益的平衡。

（4）進一步量化臺風區域湍流強度還需統計更多臺風樣本結合地表情況進行分析總結。

（作者單位：廣東粵電湛江風力發電有限公司）