海島分散式風(fēng)電項目風(fēng)力發(fā)電機選型研究

張 弛

上海電氣電站工程公司 上海 201199

1 研究背景

風(fēng)能是一種儲量豐富的可再生能源。二十世紀(jì)三十年代,丹麥、瑞典等國家開始試驗小型風(fēng)力發(fā)電裝置,開啟了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)發(fā)展的大幕。近年來,隨著人類社會對電力需求的不斷增大和保護環(huán)境要求的提高,風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展速度越來越快。截止至2019年上半年,我國風(fēng)力發(fā)電累計裝機容量達到193 GW,是六年前77 GW的兩倍以上[1]?？梢?風(fēng)力發(fā)電發(fā)展前景廣闊。

近年來,除集中上網(wǎng)的大型風(fēng)電項目外,小型分散式風(fēng)電項目也發(fā)展很快。分散式風(fēng)電一般指靠近用電負(fù)荷中心,不以大規(guī)模遠距離輸送電力為目標(biāo)的風(fēng)力發(fā)電項目[2-3]。分散式風(fēng)電就地消納電能,可以最大程度避免棄風(fēng)限電。隨著風(fēng)力發(fā)電機技術(shù)的發(fā)展,越來越多的風(fēng)力發(fā)電機在3 m/s左右的微風(fēng)狀態(tài)下即可發(fā)電,這使分散式風(fēng)電項目的環(huán)境適應(yīng)性越來越強,非常適用于高原、山地、海島等用電負(fù)荷有限,大電網(wǎng)不容易覆蓋的地區(qū)。

東南亞某海島擬建設(shè)額定容量為1.5 MW的分散式風(fēng)電項目。筆者以這一項目為例,分析評估項目所在地風(fēng)資源,針對不同型號風(fēng)力發(fā)電機進行性能計算和對比,為項目主設(shè)備選型提供參考。

2 風(fēng)資源評估

東南亞某海島分散式風(fēng)電項目位于季風(fēng)氣候帶,冬季盛行東北季風(fēng),夏季盛行西南季風(fēng)[4]。風(fēng)速及風(fēng)向測量高度為90 m,測量間隔為1 h。全年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng),風(fēng)速小時變化曲線如圖1所示,風(fēng)向玫瑰圖如圖2所示。

圖1 風(fēng)速小時變化曲線

圖2 風(fēng)向玫瑰圖

在風(fēng)資源評估時,通常使用韋布爾雙參數(shù)分布來擬合實際風(fēng)速分布。風(fēng)速概率密度函數(shù)f(v)為:

(1)

式中:v為風(fēng)速;k為形狀因子;c為尺度因子。

對于k、c,可以采用平均風(fēng)速和最大風(fēng)速估計法、矩估計法、最小二乘估計法等方法進行估計[6-7]。綜合考慮參數(shù)估計的精準(zhǔn)度和計算量,筆者采用矩估計法,按式(2)和式(3)求解k、c。

(2)

(3)

基于這一項目典型年風(fēng)速數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,平均風(fēng)速為5.77 m/s,風(fēng)速數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差為3.05 m/s。代入式(2)、式(3)計算后得到k為2.00,c為6.52。

為校驗項目測風(fēng)點給出的典型年風(fēng)速小時變化的合理性,將風(fēng)速頻率密度的觀測值與韋布爾擬合值進行對比,如圖3所示。

圖3 風(fēng)速概率密度對比

圖3中,測風(fēng)點觀測值與韋布爾分布擬合值基本吻合,表明測風(fēng)點風(fēng)速觀測值可以用韋布爾分布進行擬合,觀測數(shù)據(jù)是可靠的。

3 風(fēng)力發(fā)電機選型

這一項目總發(fā)電量為1.5 MW,可選擇六臺250 kW風(fēng)力發(fā)電機、三臺500 kW風(fēng)力發(fā)電機、兩臺750 kW風(fēng)力發(fā)電機等不同配置形式。

為對比不同配置形式之間的性能差異,分別選擇單機容量250 kW的WES 250風(fēng)力發(fā)電機、單機容量500 kW的Windflow 45風(fēng)力發(fā)電機和單機容量750 kW的Nowin 47風(fēng)力發(fā)電機進行評估。

WES 250風(fēng)力發(fā)電機切入風(fēng)速小于3 m/s,切出風(fēng)速為25 m/s,可選最高塔桿高度為48 m。

Windflow 45風(fēng)力發(fā)電機切入風(fēng)速為4.5 m/s,切出風(fēng)速為25 m/s,可選最高塔桿高度為47 m。

Nowin 47風(fēng)力發(fā)電機切入風(fēng)速為3 m/s,切出風(fēng)速為25 m/s,可選塔桿高度范圍為35～65 m,為便于對比,塔桿高度選為48 m。

三款風(fēng)力發(fā)電機均為可變槳距形式,在空氣密度1.225 kg/m3的標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境下,風(fēng)力發(fā)電機輸出功率與風(fēng)速的關(guān)系見表1,轉(zhuǎn)換為功率曲線,如圖4～圖6所示。

表1 風(fēng)力發(fā)電機輸出功率與風(fēng)速關(guān)系

圖4 WES 250風(fēng)力發(fā)電機功率曲線

4 修正與折減

4.1 風(fēng)速修正

這一項目測風(fēng)高度為90 m,對于所選三款容量為百千瓦級的小型風(fēng)力發(fā)電機而言,90 m的塔桿高度是不適配的。因此,需要通過風(fēng)速修正來得到風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的風(fēng)速。

圖5 Windflow 45風(fēng)力發(fā)電機功率曲線

圖6 Nowin 47風(fēng)力發(fā)電機功率曲線

在近地層中,風(fēng)速隨高度的變化非常明顯。通常而言,風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律為:

v2=v1(z2/z1)α

(4)

式中:z2、z1為高度;v2、v1為對應(yīng)高度下的風(fēng)速;α為風(fēng)切變因數(shù)。

風(fēng)切變因數(shù)的大小反映了風(fēng)速隨高度變化的情況,風(fēng)切變因數(shù)越大,隨著高度的增大,風(fēng)速加快越顯著。影響風(fēng)切變因數(shù)的主要因素是地面的粗糙度和大氣的豎直穩(wěn)定度[8-9]。

一般需要在不同高度設(shè)置測風(fēng)塔,實測不同高度的風(fēng)速,并進一步計算得到風(fēng)切變因數(shù)。筆者僅掌握90 m高度風(fēng)速,沒有其它高度的實測風(fēng)速數(shù)據(jù),因此風(fēng)切變因數(shù)取1/7作為近似值[10]。

對項目風(fēng)速進行修正,計算得到48 m高度下平均風(fēng)速降至5.28 m/s。修正后48 m高度風(fēng)速小時變化曲線如圖7所示。

圖7 修正后48 m高度風(fēng)速小時變化曲線

4.2 密度修正

風(fēng)力發(fā)電機廠家提供的功率曲線通常都基于標(biāo)準(zhǔn)測試環(huán)境,大氣壓力為101.325 kPa,熱力學(xué)溫度為288.15 K,空氣密度為1.225 kg/m3。一般風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的空氣密度與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度有差異,這會對風(fēng)力發(fā)電機的實際發(fā)電量產(chǎn)生影響[11]。

對此,可將標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度修正至輪轂高度處的空氣密度ρh:

(5)

式中:Th為風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的空氣溫度;ph為風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的大氣壓力。

如果空氣溫度和大氣壓力的測量點不在輪轂高度處,那么輪轂高度處的溫度Th和壓力ph可以通過換算得到,分別為:

Th=Tt-0.006 5×(Hh-Ht)

(6)

ph=pt-(Hh-Ht)/8

(7)

式中:Tt為測量高度處的空氣溫度;pt為測量高度處的大氣壓;Ht為測量高度;Hh為風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度。

得到輪轂高度處空氣密度后,需要對風(fēng)力發(fā)電機功率曲線進行密度修正[12]。單位時間內(nèi)吹過風(fēng)力發(fā)電機葉片掃風(fēng)面積內(nèi)的空氣具有的動能w為:

w=ρhFv3/2

(8)

式中:F為風(fēng)力發(fā)電機葉片掃風(fēng)面積;v為風(fēng)速。

由式(8)可知,在單位時間內(nèi)吹過葉片的空氣動能相等的前提下,輪轂中心的空氣密度和風(fēng)速的三次方成反比,即:

(9)

式中:ρh、ρ′h為不同時間點流過風(fēng)力發(fā)電機輪轂高度處的空氣密度;v、v′為對應(yīng)空氣密度下的風(fēng)速。

由式(8)和式(9)可知,因為空氣密度不同,實際狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機的切入風(fēng)速、切出風(fēng)速、額定風(fēng)速與理論曲線均有不同。原則上可以認(rèn)為,當(dāng)空氣密度升高時,風(fēng)力發(fā)電機只需要較慢的風(fēng)速就可以達到額定輸出功率。

當(dāng)然,由于風(fēng)速對風(fēng)力發(fā)電機效率也有影響,吹過葉片的空氣動能相等并不代表風(fēng)力發(fā)電機輸出功率也相等,以上密度修正方法并不能完全精確反映密度變化對風(fēng)力發(fā)電機功率曲線的影響,但應(yīng)用于工程項目前期性能評估是基本可行的。

4.3 折減因數(shù)

風(fēng)力發(fā)電機廠家提供的功率曲線往往基于理想環(huán)境下的測試結(jié)果,風(fēng)電項目中計算風(fēng)力發(fā)電機實際發(fā)電量時還要考慮各項因素導(dǎo)致的折減,并對理論發(fā)電量進行修正[14-15]。

(1) 尾流折減。指風(fēng)力發(fā)電機陣列中前排風(fēng)力發(fā)電機尾流對后排風(fēng)力發(fā)電機迎風(fēng)面風(fēng)速的影響,由于小型分散式風(fēng)電項目中風(fēng)力發(fā)電機數(shù)量少,因此不考慮尾流折減。

(2) 控制與湍流折減。指風(fēng)向變化和湍流發(fā)生時風(fēng)力發(fā)電機變槳、偏航調(diào)整對發(fā)電的影響,按因數(shù)0.95考慮。

(3) 機組利用率折減。指風(fēng)力發(fā)電機及相關(guān)輔助設(shè)備正常停機檢修對發(fā)電產(chǎn)生的影響,按因數(shù)0.95考慮。

(4) 風(fēng)力發(fā)電機保證功率曲線折減。指風(fēng)力發(fā)電機理論功率曲線和實際功率曲線的差異,按因數(shù)0.95考慮。

(5) 葉片污染折減。指風(fēng)力發(fā)電機葉片在環(huán)境條件下產(chǎn)生污染,對輸出功率的影響。本項目位于海島,存在鹽霧影響,按因數(shù)0.95考慮。

(6) 廠用電及線損。指風(fēng)電場電氣設(shè)備自用電和線路損耗的影響,按因數(shù)0.95考慮。

(7) 其它折減。包括需求側(cè)波動、氣候影響、計算誤差等引起的折減,按因數(shù)0.95考慮。

綜合考慮以上因素的影響,這一項目風(fēng)電場實際發(fā)電量計算時的綜合折減因數(shù)為0.735。

5 性能計算和對比

基于前述風(fēng)力發(fā)電機選型和修正方法,編寫計算機程序,以線性插值的方式對照三款風(fēng)力發(fā)電機功率曲線計算典型年理論發(fā)電量小時變化情況,再乘以折減因數(shù),得到三款風(fēng)力發(fā)電機年實際發(fā)電量。風(fēng)力發(fā)電機性能計算結(jié)果見表2。

表2 風(fēng)力發(fā)電機性能計算結(jié)果

對比可知,三款風(fēng)力發(fā)電機中,WES 250和Nowin 47年運行時間更長,這得益于這兩款風(fēng)力發(fā)電機的切入風(fēng)速較低。Windflow 45切入風(fēng)速為4.5 m/s,年運行時間僅5 272 h,短于其它兩款風(fēng)力發(fā)電機。這表示W(wǎng)ES 250和Nowin 47可以在全年更多時間內(nèi)保證有電力輸出。

對比年實際發(fā)電量和等效滿負(fù)荷運行時間,情況則有所不同。三臺Windflow 45全年實際發(fā)電量達到1 629.9 MWh,高于六臺WES 250的發(fā)電量1 448.9 MWh,也高于兩臺Nowin 47的發(fā)電量1 459.6 MWh。同樣,Windflow 45的年等效滿負(fù)荷運行時間可以達到1 087 h,長于WES 250的966 h和Nowin 47的973 h。

為研究Windflow 45在更短運行時間內(nèi)發(fā)電量更大的原因,將三款風(fēng)力發(fā)電機的功率曲線縱軸單位變?yōu)檩敵龉β逝c額定功率的比值,并將三條功率曲線繪制在同一坐標(biāo)系下,如圖8所示。

圖8 風(fēng)力發(fā)電機功率曲線對比

圖8中,Windflow 45雖然切入風(fēng)速較其它兩款風(fēng)力發(fā)電機高,但輸出功率隨風(fēng)速加快而提高的速率更快,表現(xiàn)為功率曲線更為陡峭。相比其它兩款風(fēng)力發(fā)電機,Windflow 45可以在更低的風(fēng)速下快速接近并達到額定功率。因此,在本項目風(fēng)速條件下,Windflow 45全年發(fā)電量更高。

6 結(jié)論

筆者以東南亞某海島分散式風(fēng)電項目為例,對當(dāng)?shù)仫L(fēng)資源進行評估,并對風(fēng)力發(fā)電機選型展開研究。

(1) 項目位于東南亞某海島,屬于季風(fēng)氣候帶,全年主導(dǎo)風(fēng)向為東北風(fēng)。90 m高度測風(fēng)點測得全年平均風(fēng)速為5.77 m/s。項目典型年風(fēng)速分布可以用韋布爾雙參數(shù)分布擬合,風(fēng)速數(shù)據(jù)可靠。

(2) 項目總?cè)萘繛?.5 MW,擬選擇WES 250、Windflow 45、Nowin 47三款額定功率為250 kW～750 kW的變槳距風(fēng)力發(fā)電機。針對測風(fēng)高度和備選風(fēng)力發(fā)電機塔桿高度不匹配的問題,研究了標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下功率曲線的密度和風(fēng)速修正方法。同時結(jié)合項目邊界條件,將項目綜合折減因數(shù)設(shè)置為0.735。

(3) 經(jīng)性能計算和對比,發(fā)現(xiàn)WES 250和Nowin 47切入風(fēng)速低,全年運行時間長。Windflow 45雖然全年運行時間稍短,但由于升負(fù)荷速率更快,在較短的時間內(nèi)可以提供更大的發(fā)電量。