高海拔山區風電場風電機組的合理選型探討

李 鵬

中國三峽新能源(集團)股份有限公司西南分公司 四川 成都 610041

1 引言

目前,大多數風力發電機組均是標準風力發電機組進行設計的,高海拔山區風電場地形復雜、風況變化多端,風況比標準等級風機設計依據的標準條件復雜。同時,高海拔山區風電場海拔較高,空氣密度小,相同風速情況下風壓小,再加上濕度大、雷暴多、太陽輻射強、冰凍嚴重,這些環境條件一般都比標準等級風力發電機組設計依據的條件惡劣。因此,采用標準條件設計的風力發電機組不一定能較好的適應高海拔山區風電場,在高海拔山區風電場風機選型時,需根據高海拔山區風電場的特點對其進行復核和改進。

2 高海拔山區風電場風況及對風電機組的影響分析

風速分布、風切變是評估風電場風能的重要指標因素,也是風力發電機組選型設計的重要依據。

(1)風速分布。據統計分析表明,高海拔山區風場風速分布總體符合瑞利分布,但由于山區高差大、地形復雜,風能資源受地形影響較大,導致風速分布比瑞利分布更為劇烈,風速分布的最大頻率以及對應風速普遍比采用瑞利分布擬合得到的成果大,采用實測值計算的風功率密度普遍比采用瑞利分布擬合風頻計算的成果小。因此,對于高海拔山區風場,標準等級風力發電機組設計假定的風頻分布基本可以適應高海拔山區風場。但是,根據風力發電機組設計要求,正常風況是影響風機載荷和安全的重要因素。對于高海拔山區風電場,由于實測風頻分布與瑞利分布擬合的風頻分布仍有較大差別,所以在風機選型時仍需根據實測風況對風機荷載和安全性進行復核,以確保風機安全和穩定運行。

(2)風切變。據統計分析表明,從垂直風切變規律方面看,高海拔山區風場的風切變關系與標準風場的風切變關系是基本相符合的,且絕大多數測風塔的風切變為正切變,僅極少數測風塔風切變為負切變。因此,對于高海拔山區風場,標準等級風力發電機組設計假定的風切變基本可以適應高海拔山區風場,風切變對高海拔山區風電場風電機組選型的影響不大。

3 高海拔山區環境條件及對風電機組的影響分析

高海拔山區環境條件的主要指標包括氣溫、氣壓、空氣密度、太陽輻射強度、雷暴、濕度、冰凍。

(1)氣溫。根據平均氣溫進行統計,高海拔山區年平均氣溫比相應海拔的年平均氣溫低2℃～4℃,極端最高氣溫不高,但極端最低氣溫較低,根據氣象站的長期氣溫觀測：按海拔每上升1000 m 氣溫降低6.5℃估算,海拔在2050～3250 m 之間的地區,極端最低氣溫在-6.5℃～-23.5℃之間。標準等級風力發電機組應考慮的正常環境溫度范圍為-10℃～+40℃,極端溫度范圍至少應為-20℃～+50℃。標準等級風力發電機組設計假定的溫度范圍基本可以適應高海拔山區風場,溫度對風電機組的影響不大。但是,為確保風機安全運行,對于氣溫較低的風電項目,應統計每年存在低溫的天數,如果出現連續多年多天氣溫在-20℃以下,則需要考慮低溫對機組運行安全的影響,適當選擇低溫型風力發電機組。

(2)氣壓。高海拔山區風電場海拔大多在2000 m 以上,氣壓較低,海拔在2000 m 時年平均氣壓約80k Pa,海拔在3000 m 時年平均氣壓約71k Pa。氣壓較低時,電氣元件絕緣強度降低,器件溫升增加,使以空氣為滅弧介質的開關電氣產品滅弧能力降低,通斷能力下降,標準等級風力發電機組不適應高海拔山區風場,高海拔山區風場風電機組應根據低氣壓環境進行相應的改進和復核。

(3)空氣密度。高海拔山區風電場海拔大多在2000 m 以上,空氣密度在0.96kg/m3以下,僅為標準空氣密度1.225kg/m3的78%,3000 m 以上地區空氣密度在0.87kg/m3以下,僅為標準空氣密度1.225kg/m3的71%,空氣密度較低。空氣密度較低,導致風機出力降低,發電效率降低,標準等級風力發電機組不適應高海拔山區風場,高海拔山區風場風電機組應根據低空氣密度環境進行相應的改進。

(4)雷暴。據統計,氣象站海拔在1050～2250 m 之間的,年雷暴日數在46.6d～96.6d之間,平均約63.9d。而大部分高海拔山區風電場海拔均在2000 m 以上,海拔更高,雷暴日數將更多。標準等級風力發電機組雖然進行了雷電保護設計,但高海拔山區風電場雷暴日數較多,雷擊頻繁,防雷要求更高,需根據高海拔山區雷暴頻繁的特點,對風電機組的雷電保護設計進行復核和加強。

(5)濕度。高海拔山區受地形和氣候影響,部分高海拔山區風電場濕度較大,持續時間較長,風機選型時需結合項目本身的濕度情況,采取相應的防滲和除濕措施,以保證風機在高濕環境下的安全穩定運行。

(6)冰凍。冰凍是高濕和低溫綜合作用的結果,高海拔地區氣溫較低,濕度較大,兩者同時發生將會發生冰凍情況。冰凍的產生將增加葉片重量,覆蓋不均勻現象,導致出現應力不同,將對風機運行和安全將造成影響。因此,在高海拔山區進行風能資源觀測時增加濕度觀測,以對風場進行冰凍情況分析,在風機選型時根據冰凍情況對風機載荷進行復核和加強,并優化風機運行控制策略,以保證風機安全穩定高效運行。

4 結論與建議

根據以上分析,標準風力發電機組的設計基本適用于高海拔山區,但是對于環境條件要求較為苛刻的相關主輔設備上,則必須通過相應的校核與改進,才能更好的適應高海拔山區的運行環境,才能保證風力發電機組的高效、安全、穩定運行。