引言
随着我国东北、西北地区弃风限电问题日益严重,我国风电市场逐渐南移。根据我国国家能源局发布的《2017—2020年风电新增建设规模方案》,除2017年新增建设规模30.65Gw外,2018—2020年新增建设规模为28.84Gw、26.6Gw、24.31Gw,新增装机的区域分布也以中南、华东为主。其中,云贵高原地区也逐渐成为风电开发的热土,但该地区气候环境特殊,给风机运行带来了一系列新问题和挑战,因空气密度低导致的风电机组功率异常是其中不容忽视的一个重要问题。
低空气密度地区风电机组功率曲线异常问题分析（空气密度对风力发电的影响）
1云南某风场风电机组功率曲线异常问题
云南某风场装机22台1.5Mw的风电机组,风轮直径93m。机组调试通过后,经过一年时间运行后,业主反馈机组实际功率曲线与设计功率曲线不符,当实测风速在10~14m/s范围时,实际功率明显低于设计功率。为此提取了风场22台风电机组30s实际功率数据(每30s记录一次数据),如表1所示,并处理得到30s平均功率曲线,与机组设计功率曲线对比,如图1所示。当风速为10.25m/s时,机组实际功率开始低于设计功率:当风速为11.25m/s时,实际功率与设计功率的差值达到最大,达127.75kw:当风速达到13.75m/s时,机组发电功率恢复正常。
实际功率曲线异常不仅影响风电场的发电效益,而且伴有机组震动加剧现象,严重影响机组的安全运行,需尽快解决此问题。
2问题仿真分析
为查明引起该区域风电机组功率异常的原因,本文采用GHB1aded软件进行了一系列仿真分析。GHB1aded是一个用于风机性能和载荷计算的综合软件,为用户提供一个陆上、离岸风机性能和负载的设计解决方案。该软件具有基于windows的绘图用户界面和在线帮助功能,操作方便,同时风机设计计算采用工业标准。
经了解,该款机组在山西安装了两个风场,但未出现功率曲线异常问题。对比两地的气候环境参数,发现了两地空气密度区别最大,山西风场空气密度接近标准空气密度1.225kg/m3,而云南风场空气密度只有0.9kg/m3。
使用GHB1aded软件,仿真空气密度为0.9kg/m3时,机组功率曲线如图2所示。风速达到10m/s时,功率不再增加,出现失速现象,直到风速超过13m/s才恢复正常,与风场实测功率曲线相符。计算叶片攻角,如表2所示,空气密度为0.9kg/m3,翼型DU35、DU25和NA18段出现攻角超过失速攻角现象(表中灰色区域),当空气密度为1.225kg/m3时,未出现该问题。
综上分析,云南风场风电机组功率曲线异常问题与当地空气密度低有直接关系。
3解决方案
在叶片上粘贴涡流发生器(VG),是目前已普遍应用的风电机组提升发电效率的技改方案。VG是控制叶片流动分离的一种有效途径。
使用CFD建立标准翼型增加VG后的气动仿真模型进行气动仿真分析。仿真结果表明,VG可以有效增大标准翼型的最大升力系数。
DU40翼型添加VG后,升力系数与阻力系数修正曲线如图3所示,后失速点攻角由8.59调整到了109,最大升力系数由1.042增加到了1.3。
DU35翼型添加VG后,升力系数与阻力系数修正曲线如图4所示,修正后失速点攻角由119调整到了12.59,最大升力系数由1.437增加到了1.73。
DU25翼型添加VG后,升力系数与阻力系数修正曲线如图5所示,修正后失速点攻角由119调整到了12.59,最大升力系数由1.332增加到了1.605。
将DU45、DU35和DU25翼型的升力系数和阻力系数进行修正,然后使用GHB1aded软件,仿真空气密度为0.9kg/m3时,机组功率曲线如图6所示,功率表如表3所示,解决了叶片失速问题。
4结语
综上所述,通过仿真表明,云南风场风电机组的功率曲线异常问题与当地空气密度低有直接关系。通过在叶片非工作面前缘区域,距叶根6.5~16.5m和距叶根28.5~34.5m两段区域内,安装涡流发生器可以有效改善叶片在低空气密度环境下的失速问题。
