风电机组选型与布置

风电场建设之风力机组选型与布置 1 1风力发电机组选型 1 1 1风能资源分析通过对测风塔的数据进行分析 得出代表年50m 80m高度的年平均风速 风功率密度 根据 风电场风能资源测量方法 GB T18710 2002 可以判断风功率密度等级 一般来说 风功率密度达到3级以上 风电场才有开发价值 各测风塔的风能主要集中某几个扇区 盛行风向稳定 才有利于风能资源的有效利用 根据风电场65 85m轮毂高度处50年一遇最大风速 风电场风机轮毂高度处15m s风速区间的湍流强度 判定风电场工程可以选择的风力发电机组类别 1 1风力发电机组选型 1 1 2机型范围初选1 满足场址的气候条件 在GB18451 1 2001idtIEC61400 1 1999 风力发电机组安全要求 中 根据轮毂高度的年平均风速 50年一遇10分钟平均最大风速 湍流强度等将风电机组分为4个等级 同时还有一个特殊设计的S级 应根据场址的风况选择安全等级的级别 此外还应根据气温范围确定选用标准型或低温型机组 沿海和海岛地区 需注意是否对防腐和绝缘性能提出特殊要求 风力机等级的基本参数 1 1风力发电机组选型 1 1 2机型范围初选国内外风电场工程的经验表明 在现有的技术条件下 对于一个已知场区的风电场 单机容量选择在某个确定的范围内 项目的经济性会相对较高 在进行单机容量选择时 首先应确定一个适合于本项目的容量范围 然后在该范围内选择一种技术成熟 市场业绩良好并且经济性较高的机型 1 1风力发电机组选型 1 1 2机型范围初选风电机组选型要考虑的几个因素一 风轮输出功率控制方式风轮输出功率控制方式分为失速调节和变桨距调节两种 两种控制方式各有利弊 各自适应不同的运行环境和运行要求 变速变桨距机型比定速定桨距机型更具优越性 它不仅能在低风速时能够根据风速变化 在运行中保持最佳叶尖速比以获得最大风能 也能在高风速时根据风轮转速的变化 储存或释放部分能量 提高传动系统的柔性 使功率输出更加平稳 从目前市场情况看 采用变桨距调节方式的风电机组居多 二 风电机组的运行方式风电机组的运行方式分为变速运行与恒速运行 恒速运行的风电机组的好处是控制简单 可靠性好 缺点是由于转速基本恒定 而风速经常变化 因此风力发电机组经常工作在风能利用系数 Cp 较低的点上 风能得不到充分利用 变速运行的风电机组一般采用双馈异步发电机或多极永磁同步发电机 变速运行方式通过控制发电机的转速 能使风力机的叶尖速比接近最佳 从而最大限度的利用风能 提高风力发电机组的运行效率 1 1风力发电机组选型 1 1 2机型范围初选风电机组选型要考虑的几个因素三 发电机的类型发电机的类型包括异步发电机 双馈感应型发电机和多极永磁同步电机 风力发电机大多采用普通的异步发电机 正常运行中在发出有功功率的同时 需要从电力系统吸收一定的无功功率才能正常运行 机端的电容补偿只能减少从电力系统吸收无功功率的数量 双馈感应型风力发电机的功率因数 COS 可以在 0 95 0 95之间变化 也就是说可以根据电网的需要发出或者吸收无功功率 改善当地电网的电压质量 提高电力系统的稳定水平 四 风力发电机组的传动方式风力发电机的传动方式包括齿轮传动方式与无齿轮箱直驱方式 目前 风力发电机大多采用齿轮传动 成本较低 但是降低了风电转换效率 产生噪音 是造成机械故障的主要原因 而且为了减少机械磨损需要润滑清洗等定期维护 采用无齿轮箱的直驱方式有效地提高了系统的效率以及运行可靠性 但同时也提高了电机的设计成本 1 1风力发电机组选型 1 1 2机型范围初选根据风电场址的地形 地质特点 风资源分布情况 以及风力发电机组技术成熟 先进 可靠等要求 选择多种适合的机型 按单一机型方案进行风力发电机组的优化布置 1 1风力发电机组选型 1 1 3风电机组总体布置布置机位时需要考虑地形地貌 主导风向与主导风能方向 地面障碍物等影响因素 具体布置时因地制宜 根据风电场地形条件 建设规模 风力发电机组的型号及装机的台数进行优化布置 实现在有限的场区范围内达到最大的上网发电量和最低成本的目标 在软件优化的基础上手工调整风机位置 调整风机与防护林 村庄 线缆等地物之间的距离 考虑风机的相对集中布置 同时将尾流效应控制在合理范围内 以充分利用土地资源与风资源 减少集电线路长度 方便运输安装 1 1风力发电机组选型 1 1 4轮毂高度优化计算各机型不同轮毂安装高度下的发电量 随着轮毂高度增加 发电量增加的同时风机与塔架的运输与安装难度增大 塔筒与基础加固引起的基本投资增加 结合各风机厂家现在的生产情况 技术成熟程度和装机运行安全可靠性等因素对不同机型不同轮毂高度的发电量与经济性进行综合比较 推荐比选的几种机型的轮毂安装高度 1 2不同机型发电量估算 1 2 1年理论发电量及单机尾流的计算根据各机型单一机组的布置方案 利用软件 计算各种风机的年净发电量 尾流折减后 并计算风力发电机组的尾流损失 1 2不同机型发电量估算 1 2 2空气密度修正系数由于风功率密度与空气密度成正比 在相同的风速条件下 空气密度不同则风电机组出力不一样 风电场年上网电量估算应进行空气密度修正 因此需要对软件在标准空气密度条件下计算得到的发电量进行修正 原理上可根据风功率密度与空气密度成正比的特点 将标准空气密度对应下的功率曲线估算的结果乘以空气密度修正系数进行空气密度修正 当实测空气密度偏离标准空气密度较大时 按正比关系进行修正的误差较大 根据风电场具体风资源情况 结合各机型的功率曲线 计算不同机型在对应轮毂高度处能达到额定功率前的理论发电量所占比例 仅对风机满发前的发电量按照空气密度正比关系修正进行折减 1 2不同机型发电量估算 1 2 2空气密度修正系数 由于场址的空气密度一般不等于标准空气密度1 225kg m3 所以要作空气密度修正 1 优先采用下式计算 累年平均空气密度 kg m3 P 累年平均气压 hPa e 累年平均水汽压 hPa t 累年平均气温为 1 2不同机型发电量估算 1 2 2空气密度修正系数 2 无法得到水汽压时采用下式计算 P 年平均大气压力 Pa R 气体常数 287J kg K T 年平均空气开氏温标绝对温度 273 1 2不同机型发电量估算 1 2 2空气密度修正系数 3 再无法得到大气压力时采用下式计算 353 05 T exp 0 034 z T kg m3 z 风场的海拔高度 m T 年平均空气开氏温标绝对温度 273 1 2不同机型发电量估算 1 2 3控制和湍流折减风电机组随风速风向的变化不断调整机组的运行状态 实际运行中机组控制总是落后于风的变化 使风机的输出功率减小 根据风电场湍流强度值大小情况 对控制和湍流折减系数取值 控制和湍流系数一般取97 左右 1 2不同机型发电量估算 1 2 4叶片污染折减叶片表层污染使叶片表面粗糙度提高 翼型的气动性能下降 根据风电场风沙 降雨量大小 夏季昆虫多少 冬季叶片结冰等情况 判断可能造成的叶片污染程度 对叶片污染折减系数取值 一般污染系数取97 左右 1 2不同机型发电量估算 1 2 5风电机组利用率风力机维护的好坏直接影响到发电量的多少和经济效益的高低 风力机本身性能的好坏 也要通过维护检修来保持 维护工作及时有效可以发现故障隐患 减少故障发生机率 提高风机运行效率 风机维护可分为定期检修和日常排故维护两种方式 考虑风力发电机组故障 检修对发电效率的影响 将常规检修安排在小风月 根据目前风力发电机组的制造水平和已建风电场的运行经验 一般风电场风力发电机组的可利用率为95 1 2不同机型发电量估算 1 2 6功率曲线折减考虑到风电机组厂家对功率曲线的保证率一般为95 在计算发电量时应予以考虑 因此取风电机组功率曲线保证率95 1 2不同机型发电量估算 1 2 7场用电 线损等能量损耗根据风电场地形复杂程度 地势起伏情况 集电线路能量损耗大小 估算场用电和输电线路 机组变电站损耗占总发电量的百分比 一般能量损耗系数为95 左右 1 2不同机型发电量估算 1 2 8气候影响停机根据风电场区域冬季低温气温天数 风力发电机组适应的温度范围等情况 当风场的气温超出它的适应范围 风机将不再发电 低温环境下 风机的运行效率有所下降 且风机停机再启动需要温度回升区间 另外当气温下降到 10 时风机的润滑系统也将会受到影响 0 以下叶片表面结冰也会影响风机翼型的气动性能 使发电量降低 一般北方寒冷地区风电场低温气候影响折减按95 左右考虑 1 2不同机型发电量估算 1 2 9总折减系数根据上述各项折减系数 计算出不同机型对应的总折减系数 1 2不同机型发电量估算 1 2 10年上网电量测算根据风电场各种机型风机年理论发电量扣除上述发电量损失 即得出年上网发电量 从发电量指标角度 对各种机型进行比较 1 3不同机型综合经济比较 评价一种机型的优劣 不能仅从发电量和等效利用小时来考虑 应综合经济指标来评价 除发电量外 风电机组的价格 塔架 底座 箱变 电缆 公路以及变电站等也都是影响机型方案选择的重要因素 对风电机组进行综合指标比较 以最终确定风电场机组选型 1 4机型选择推荐意见 确定风电项目机型最终推荐意见 主要考虑三个因素 一是所推荐机型方案的发电量指标优越 二是该方案投资经济指标合理 抗风险能力强 三是该方案上网电价低 即考虑综合技术经济指标优越的机型方案 根据风机在发电量 机组投资 上网电价等各项综合指标上的明显的优势 推荐一种风机作为选择方案 以此作为进一步工程设计的依据 1 5风电机组布置推荐方案 对优选的机型进行进一步优化布置 考虑整体规划的影响 以获得较大发电量和最优经济效益为原则 既要保证风机间距以减小尾流损失又要考虑风机的相对集中布置以减少集电线路及道路的投资 不仅考虑每个机位最优 而且考虑各风机之间的相互影响与风机长期稳定运行的安全性 从而保证整个风电场的发电量最大 效益最好 问题一 为什么要进行合理的风力发电机组排布 风电场风资源评估结果及初步选定的风机型号 问题二 2 风力发电机组布置 一 风力发电机组布置的指导原则 二 风力发电机组布置方案的确定 重点难点 风力发电机组布置 风电机组布置基本原则 风电机组布置指导原则 1 当盛行主风向为一个方向或两个方向且相互为反方向时 风力发电机组排列一般为矩阵式分布 风力发电机组群排列方向与盛行方向垂直 前后两排错位 主风向 主风向 风电机组布置指导原则 2 当场地存在多个盛行方向时 风力发电机组排布一般采用 田 或圆形分布 风电机组布置指导原则 3 风电场布置风电机组时 在行距 盛行风向 上要求机组间相隔5 9倍风轮直径 在列距 垂直于盛行风向 上要求机组间相隔3 5风轮直径 梅花型布置图 主风向 5D 9D 3D 5D 风力发电机组尾流效应 风经过风电机组后将部分动能转化为机械能 机械能再转化为电能 从而使风速降低 对后面的风电机组发电量产生影响 即尾流效应 按基本原则布置风机时 风电场尾流影响使发电量减少约5 左右 风力发电机组布置方案 案例 瓜州某风电场 根据风测量数据由WAsP9 0生成的风图谱如下 初选机型为某公司SL1500风机 总装机容量为49 5MW 试确定风机的排布方案 风力发电机组布置方案 初选机型的主要技术参数 机型 变桨距 上风向 三叶片额定功率 1500kW风轮直径 77m轮毂中心高 65m切入风速 3 0m s额定风速 11 5m s切出风速 20m s最大抗风 52 5m s控制系统 计算机控制 可远程监控工作寿命 20年 风力发电机组布置方案 确定布置方案 由风图谱结果看出 该风场常年风向和主风能方向为W和WNW 初选机型为某公司SL1500风机 分别按4D 南北间距 x8D 东西间距 4D 南北间距 x9D 东西间距 4D 南北间距 x10D 东西间距 5D 南北间距 x8D 东西间距 5D 南北间距 x9D 东西间距 5D 南北间距 x10D 东西间