高原地区湍流对风电机组的影响研究

高原地区湍流对风电机组的影响研究

杨寅午

大唐云南发电有限公司新能源分公司 云南 昆明 650100

摘要：我国风能资源丰富的北部、西北地区,大部分为高原环境,近年来在云南地区进行开发的风电场海拔都比较高。根据国内风力发电机组GBT20626.1 2006的标准,当海拔高度超过1000米时,就需要考虑高海拔气候环境变化对风力发电机组带来的影响。研究高原地区湍流对风电机组性能和载荷的影响是非常有必要的。基于此，本文主要对高原地区湍流对风电机组的影响进行分析探讨。

关键词：高原地区湍流；风电机组；影响研究

1、前言

在我国高原地区，风电场地面障碍物较多，地形起伏大导致地表粗糙度较大，气流由于受到障碍物、地形地貌的影响，湍流强度也较大；同时在加上风电机组的重力载荷、惯性载荷，使得机组的发电能力和所受载荷情况影响都很大。为了保证风电机组的稳定运行，在机组载荷设计和风电场选址过程中需要重点考虑湍流的影响。

2、湍流对风电机组发电量的影响

2.1风电机组有功输出曲线

风电机组是将风能转化为机械能，再通过发电机将机械能转化为电能，目前风电场中大部分风电机组，其有功输出曲线表达式如下所示：

其中，VS为风电机组启动风速；Vr为风电机组额定风速；Ve为风电机组极限风速；Pr为风电机组额定功率；P(V)为风电机组实时功率。当风速小于启动风速或者大于极限风速时，风电机组不发电；当风速大于额定风速小于极限风速时，风电机组输出额定功率；当风速大于启动风速小于额定风速时，风电机组输出实时功率。

2.2湍流对风电机组有功输出的影响

根据风电机组有功输出曲线，湍流影响风电机组的有功输出主要是风速大于启动风机小于额定风速之间(VS≤V≤Vr)，因为湍流强度是随着风速的增大而变小，所以对于风速大于额定风速的区间，湍流影响较小。

图1是高原山区某风电场4#机组最近半年的实际功率曲线与标准功率曲线对比图，从图中可以看出风电机组在风速大于5m/s,小于10m/s区间段（5m/s≤V≤10m/s，标黄部分）实际功率曲线明显低于标准曲线，而且当风速大于额定风速时，风电机组的满足标准功率曲线的要求。经过核查该风电场4#风电机组的地理位置比较复杂，风机位于山脊高点，两侧均是坡度非常大的山谷，风吹过山谷形成向上的湍流，对机组有功输出影响较大。

图1 高原某风电场4#风机功率曲线对比

2.3湍流对风电机组发电量考核的影响

目前风电行业内很多风机制造商和业主，在评估风机年发电量时所使用的功率曲线仍然为“静态功率曲线”，这是非常不合理的。静态功率曲线是假设环境湍流为0的情况下绘制出来的理想条件功率曲线，这在现实环境中是不可能存在的，这也是为什么风机年发电量总是被严重高估的主要原因。科学的方法应是根据评估风场的实际湍流强度，采用与之相应的“动态功率曲线”作为评估风电机组年发电量的真实参考，而不是“静态功率曲线”。

2.3.1静态功率曲线

静态功率曲线又称理论功率曲线，是在理想工况下，在给定不同的恒定风速情况下，风机所对应的静态输出功率，其功率曲线反映的是风机理论上的最大发电能力，它是由风机叶片翼型的风能利用系数决定的，无法体现风机本身在真实环境中应对湍流的动态性能特点，是理想情况下的机组出力性能。

2.3.2动态功率曲线

动态功率曲线指考虑湍流特性，即在风速非恒定情况下风机的实际功率输出，也就是说，它是在设定风速湍流条件下，风机控制系统实际响应下的功率输出，是风机真实发电的性能表现。动态功率曲线在达到额定功率之前更平滑，无明显拐点。湍流导致风电机组在低风速段的实际动态功率曲线优于静态功率曲线，因为受湍流影响，瞬时风速是不断变化的，而风能与风速的三次方成正比，当采用某一时间段内的平均风速和平均风能相对应时，相对应的风速、风能与风电场实际情况不一致，实际的风能要大于采集数据的风能。因此，在低风速段，动态功率曲线优于静态功率曲线。

在高风速段，特别是额定风速附近，动态功率曲线和静态功率曲线的差异最大，静态功率曲线在额定风速区间是一个生硬的拐点，而动态功率曲线在额定风速附近比较平滑，没有明显拐点，明显低于静态功率曲线，这恰恰就是实际风能转换效率和理论风能转换效率偏差发生最大的风速区间。

其原因在于瞬时风速受湍流的影响，会时而高于额定风速，时而低于额定风速，风电机组可能在风速高于额定风速时过度收桨而卸掉了更多的风能，导致不能满负荷发电。相反，当风速低于额定风速时，风机可能还处于上一时刻卸掉风能的变桨状态，导致风能转换效率进一步降低，而大风轮惯量的增加，也加剧了这种低能量转化在传统风机上的常态化。因此，随着湍流强度的增加，动态功率曲线和静态功率曲线在额定风速段的差异也会逐渐增大。

3、湍流对风电机组偏航系统的影响

3.1风电机组偏航系统简介

风电机组偏航系统一般包括偏航电机、偏航减速齿轮箱、偏航轴承、偏航驱动齿轮箱、偏航制动器等部件。当风电机组偏航时，液压系统泄压至偏航保持压力（约20bar），偏航电机提供偏航的驱动力，通过偏航减速齿轮箱带动小齿轮旋转。小齿轮与偏航轴承（大齿圈通过螺栓紧固在塔筒法兰上，不能旋转）相啮合，驱动机舱的旋转；在非偏航状态时，主动或被动的偏航制动可以使得风电机组机舱保持稳定的状态。

3.2湍流对机组偏航系统的影响

在高原地区复杂地形和复杂风况下，由于地形干扰，导致自由来流处的风湍流强度变大，风向变化剧烈（特别是在低风速区间），使得偏航控制的难度进一步上升，更严重情况是，偏航系统一直在跟踪过去的风向却永远对不准正确的风向，这就会导致风电机组对风不准、偏航频次过多等问题。风电机组对风不准会导致风轮平面内的风载不平衡，影响风机的使用寿命和可靠性；偏航频次过多会增加偏航电机、偏航齿轮、摩擦片等偏航系统硬件的负荷，降低偏航系统硬件的使用寿命，同时也会伴随出现偏航冲击现象，导致风机振动监测系统的报警和风机停机。

4、湍流对风电机组载荷的影响

湍流强度本质上反映的是风速的波动情况，湍流强度越大，气流波动越大。由于湍流的作用，气动载荷变成了交变载荷。风电机组承受气动载荷的主要部位是叶片和塔筒，叶片和塔筒所受风载都是以弯距和推力的形式直接作用在风电机组上。由简易悬臂梁原理，可以认为作用在风轮叶片上的风载，最终以力矩的形式传递至塔筒底部，因此对于风电机组而言，塔筒承受的载荷是最大的，其次是叶片，这些风机部件是最值得关注的。随着湍流强度的增加，机组主要部件的极限载荷和疲劳载荷都随之增加，变化最明显的是塔基载荷和叶根载荷，湍流强度每增加0.02，塔基和叶根的疲劳载荷都有10%左右的增加。因此，在高原地区湍流强度较大的风电场，为了防止出现叶片折断、变桨轴承断裂、塔筒倾倒等重大事故发生，风电机组生产厂家需要提高机组部件材料的疲劳强度，适当加强主要承载部件的极限承受能力。

5、结语

由以上研究分析可知，在风电机组载荷设计和风电场微观选址之前，需要提前测定风场湍流强度值，重点考虑湍流强度的影响，降低或规避湍流对风电机组的影响，保障风机安全稳定运行。

参考文献：
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