第２８卷第４期 ２０１１年８月 贵州大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｕｉｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ） ＶｏＩ．２８ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１１ 文章编号１０００—５２６９（２０１１）０４—００４１—０４ 低温环境风力发电机组的选型分析 凌 静 （宿州学院机械与电子工程学院，安徽宿州２３４０００） 摘要：低温对风力发电机组影响很大，选型不＂３会产生不可预料的后果。本文从风力发电机组 －的出力、主要零部件、油品、风轮叶片几个方面分析低温的影响。工程实例分析低温情况下，风力 发电机组的具体选型。给出低温折减系数、空气密度修正系数的计算。 关键词：低温；风力发电机组；影响；选型 中图分类号：ＴＭ３１５ 文献标识码：Ｂ 风力发电机发电机组的性能不仅决定于设计 １．２主要零部件 制造的水平和质量，而且还与使用地区的气候条件 密切相关¨Ｊ。我国北部地区风资源丰富，风电装 机总容量占全国７６％左右。这些地区冬季低温， 局部地区温度低于３０℃．低温工况发电机机组运 行、零部件性能、机组可维护性等都会发生变化，可 能会造成风力发电机组超出设计能力，情况严重时 甚至会引起安全事故。装在低温地区的风力发电 机组的设计还没有标准，一般是按标准设计加上专 项技术措施，以保持机组低温安全运行 Ｊ。在这 些低温地区如何正确安全选择发电机组型号，显得 尤为重要。 传动系统中的齿轮箱、主轴等承受冲击载荷， 这类零部件低温时可能脆性断裂。在风速较高时 机组频繁投入切出，紧急制动等工况，对机组的影 响就非常不利。低温会影响到部分零件的动作时 间，造成风力发电机动作滞后，影响发电效率。 １．３油品 发电机组所使用的油品受温度的影响较大。 一般要求润滑油在正常的工作温度条件下需具备 适当的黏度，以保持足够的油膜形成能力。温度越 低，油的黏度越大，低温时油的流动性很差，机组在 这种情况下难以运转。需要润滑的部位得不到充 １低温对发电机组的影响 １．１ 出力 分的润滑油供给，会危及设备的安全运行，影响风 力发电机叶片的启动和转动速度。 １．４风轮叶片 （１） 风力发电机组的出力：在单位时间内流过某一 截面的风能，计算公式为： ＝ １３３Ｆ 环境温度低于一２０℃，风速超过机组的额定 风速（大约１６—１８ ｍ／ｓ）以后，在风力发电机组会 式中： ——出力；Ｐ——空气密度；ｕ——风速； Ｆ——空气流过的截面面积。 从式（１）表明 与Ｐ成正比。冬季温度降低， 空气密度将增大，风力发电机组，特别是失速型机 组，可能出现过载现象。冬季出现雾凇，叶片表面 发生无规律的、不可预测的叶片瞬间振动现象，即 叶片在旋转平面内的振动。这种振动对叶片有害， 它会导致叶片后缘结构失效，产生裂纹。低温将导 致叶片结构发生破坏、影响机组正常运行。 “结晶”，粗糙度增加，降低翼型的气动性能，降低 出力。在风雪交加的气候，空气的黏性和雷诺数都 将发生变化，翼型的最大升力系数和失速临界攻角 等特性均会发生较大变化。 ２发电机组选型要求 根据风况和安全要求，选择符合当地风资源情 况的风力发电机组，以有利于提高风电场的发电效 益。随着国内外风力发电设备制造技术日趋成熟， 针对不同区域风资源条件，各风机设备制造厂家已 收稿日期：２０１１—０６—０５ 作者简介：凌通讯作者：凌静（１９８４一），女，广西兴业县人，助教，硕士，研究方向：机械加工制造、模拟仿真，Ｅｍａｉｌ：１ｊ０７７５＠１２６．ＣＯｒｎ． 静，Ｅｍａｉｌ：１ｊ０７７５＠１２６．ｏｏｍ． 贵州大学学报（自然科学版） 第２８卷 经开发出不同结构型式、不同控制调节方式的风力 发电机组可供选择。因此，本报告根据风电场场址 的地形、交通运输情况、风资源条件和风况特征，结 合国内外商品化风电机组的制造水平、技术成熟程 度以及风电机组本地化率的要求，对风电场机组型 式综合选择。机型选择应从以下各方面进行考虑： （１）风电机组应满足一定的安全等级要求。 （２）风机的低温性能要求。 （３）为了减少风机所发出的电对电网的冲击， 本次所选用的风机均具有低电压穿越功能。 （４）风电机组的结构型式。 （５）风力发电机功率调节方式。 （６）单机容量选择：在一定的单机容量范围 内，风力发电机组的单位功率价格往往随着单机容 量的增大而减小。风电场的工程经验也表明，对于 平坦、开阔的风电场场址，在技术可行、价格合理的 条件下，单机容量越大，机组安装轮毂高度越高，风 能利用条件越好，投资越低。 ３ 工程实例 ３．１工程概况 辉河风电场位于内蒙古呼伦贝尔市伊敏河镇 一带，场址平均海拔８２０ ｍ，场址内地势平坦，地貌 属残丘一高平原地貌。气候属于寒温带半干旱大 陆性季风气候，主要特点：昼夜温差大，冬季漫长而 寒冷。 ３．２低温折减修正系数 风力发电机组当温度低于一３０℃时停机，低 温再启动温度一般为一２Ｏ℃．根据实测资料分析 统计低于气温一３０ ｑＣ后又返回到一２０℃以上的 小时数总和为６３０个，占全年比例的７．２％，其对 应风能占全年风能比重的８．４％．再加上机组加热 所耗电能以及实测年低温相对多年低温的程度，综 合考虑低温影响停机的折减修正系数取９０％． ３．３空气密度修正系数 该地区空气密度为１．１７１ ｋｇ／ｍ ，比标准空气 密度１．２２５ ｋｇ／ｍ 低０．０５４ ｋｇ／＇ｍ ，空气密度修正 系数为９５．６％．由于本阶段上网电量计算直接采 用了１．１７１ ｋｇ／ｍ 空气密度下的机组功率曲线和 推力系数，因此，计算上网电量时不需要再进行空 气密度修正。 ３．４风力发电机组型式的选择 根据鄂温克旗气象站和场址区风况特征分析， 推算风电场场址轮毂高度５０年一遇最大风速为 ３６．０ ｍ／ｓ，结合临近地区在建及已建风电场选定机 型的安全等级，本报告初步确定本风电场采用安全 等级为ＩＥＣ ＨＩ类及以上的风电机组。 辉河风电场地处内蒙古自治区的东部地区，冬 季漫长而寒冷，据鄂温克旗气象站统计，该地区极 端最低气温为一４６．５℃，低温型风机适应的环境 温度一般为一４０～＋４５ ｃ【＝，该地区的极端最低气 温已经超出了低温型风机正常所能承受的范围，在 设计过程中针对现场的低温情况，对国内的多个主 机厂进行了咨询，部分主机厂承诺所生产的风机所 适应的极端最低温度可达到零下５０ ．本次所选 用的风机均为低温型机组。 根据目前风力机主流机型结构型式发展趋势 情况，本风电场采用具有代表性的水平轴、上风向 式、三叶片风力机型。 风力发电机功率调节方式分定桨距失速调节 和变桨距调节两类。从目前市场情况看，变桨距调 节方式将逐渐取代失速调节方式，是兆瓦级风力发 电机发展的方向。从风电场场址风资源条件分析， 场址区大风日出现的几率较多，风功率密度较高， 风力资源较丰富，因此，宜选择变速变桨风力机型。 ３．５风力发电机组单机容量的选择 根据测风塔不同高度的实测数据，结合风电场 附近气象站多年的气象资料及现场条件，选择具有 一定运行经验，能充分利用本风电场风资源、地理 位置要求以及机组国产化等因素。初步选择了单 机容量１２５０ ｋＷ及以上的低温型风电机组作为比 选机型，单机容量包括１２５０ ｋＷ、１５００ ｋＷ、１６５０ ｋＷ、２０００ ｋＷ． 所选机型均为３叶片，上风向，额定功率为 １２５０—２０００ ｋＷ，风轮直径６４—８２．９ ｒｎ，切入风速： ３—４ ｍ／ｓ，切出风速：２０—２５ ｍ／ｓ，额定风速：１ １— １４ ｍ／ｓ，各比选机型主要参数比较见表１． ＷＴＧ１２５０ ｋＷ是双速、双绕组风力发电机，其 转子是鼠笼式的，采用４／＇６极变极方式运行，其同 步转速为１５００／＇１０００ ｒ＇／ｍｉｎ，高风速时对应高功率 输出，低风速时对应低功率输出，因此这种风力发 电机可以更加充分地利用当地的风能，增加全年的 发电量，但由于采用了异步发电机，在运行时需要 吸收一定的无功功率，尽管在机端设置了可分级调 节的并联补偿电容器，但仍需要电力系统提供一定 数量的无功功率。ＷＴＧ１５００ ｋＷ和ＷＴＧ１６５０ ｋＷ 为变桨距、双馈感应型风力发电机组（又称变速恒 频风力发电机组）这种风力发电机组的转子由于 第４期 凌静：低温环境风力发电机组的选型分析 ・４３・ 采用了交流励磁，可以通过调节励磁电流的频率、 幅值等参数使发电机始终处于最佳工况下运行，其 功率因数可在±０．９５之间调节，有利于提高电力 系统的稳定性。ＷＴＧ２０００ ｋＷ为直驱型永磁同步 发电机组，它与双馈感应型风力发电机组相比没有 （３）给出低温折减修正系数、空气密度修正系 数的计算。 参考文献： ［１］都志杰，马丽娜．风力发电［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２００９： ７６． 齿轮箱，机组运行时减少了故障率的发生。各比选 机型的功率曲线图见图１． ［２］何显富，卢霞，杨跃进，等．风力机设计、制造与运行［Ｍ］．北京： 化学工业出版社，２００９：２３９． ［３］张晓东，杜云贵，郑永刚．核能及新能源发电技术［Ｍ］．北京：中 国电力出版社，２００８：１８２—１８４． ［４］李建春．风力发电机组选型因素探析［Ｊ］．甘肃科技，２０１０，２６ （４）：１０９—１ｌ１． ［５］梁勇军，吴志方．风力发电机组选型在风场建设中的重要性 ［Ｊ］．能源与环境，２０１０（５）：７Ｏ一７３． ［６］吕鹏远，邓志勇．风电场建设中的风力发电机组选型［Ｊ］．水利 水电技术，２００９，４０（９）：５７—５９． ［７］刘万平，赵祥，任修明，等．不同整流系统对直驱永磁风力发电 图１五种机型功率曲线对照图 机［Ｊ］．电机与控制应用，２００９，３６（１２）：１７—２１． ［８］刘鉴民．风电场风力发电机组选型计算分析［Ｊ］．大中型风力发 电技术，２０００（８）：８９—９２． ４ 结语 （１）分析了低温对发电机组出力、主要零部 件、油品和风轮叶片的影响； （２）实例分析低温风力发电机组的选型； ４４・ 贵州大学学报（自然科学版） 第２８巷 Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｔ Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ＬＩＮＧ Ｊｉｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ‘｝ｆ＇Ｍａ‘：ｈｉｎｅｒｙ ａｎｄ Ｅｌｅ（ ｔｒ（ ｎｉｔｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｌ￣ｎｇ，ＳｕｚｈＩ）ｔｌ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＳｕｚｈ０ｕ ２３４０００，ＣｔｌＩ【ｌａ） ，Ａｂｓｔｒａｃｔ： ｒｈｅ ｉｎｎｕｅｎｃｅ。ｆ Ｌｏｗ ｔｅｒｎＩ）ｅｒａｔｕｒｅ ｆｎｒ Ｗ ｒＧ ｉｓ Ｖｅｒｙ ｂｉｇ ａｎｄ ｅｒｒ（）ｒ ｓｅｌｅｃｔｉ。ｎ ｗｉｌｌ ｐｒｏｄｕｃｅ ｕｌｌｐｒｅｄｉ，．ｃｔａｂＩｅ ‘。ｏｎｓｅｑｕｅｎｃｅｓ・Ｔｈｅ（）ｕｔｐｕｔ，ｍａｉｎ ｐａｒｔｓｏｉｌ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｒｏｔｏｒ ｂｌａ（ｔｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｔ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ０ｎ ｔｈｅ ａｃｔｕａＪ ｃａｓｔ？，ｗ ｄ ｌｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｌｏｌ ｉｓ ｓｐｅｅｉｆｉｃ ｓｅｌｅｅｒｅｄ．Ｔｈｅ ｌｏｗ ｔｅｍｐｅＩ＂ａｌｕ肥ｒｅｄｕｃｔｉ。ｎ ｆａｃｔ。ｒ ａｎｄ ａｉｒ ｄｅｎｓｊｆｙ ｆｏｌｄｉｎｇ （：ｏｎ＇ｅｃｔｉｏｎ ｅｏｅｆｆｉｅｉｅｎｔ ａｒｅ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈ）ｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ｗｉｎｄ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ；ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ：ｓｅｌ（ ｃｔｉ（）ｎ （上接第４０页） ５６２ 参考文献： １ ｊ陈坚电力电ｆ学［Ｍ］．北京：岛等教育出版社，２００２． 【３］ Ｍ．Ｒｏｗａｎ．Ａ ｎｅｗ ｙｎｃｈｒｏｎｏａｓ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔ【Ｉｒ ａⅢＩ ａｌ１ Ｉｉｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｃｕｉＴｅｎ［一ｒｅｇｕｌａｔｅｄ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．《ｍ Ｉｎｄ． Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２００９，３５（５）：５２—６１． １ ２ ｊ Ｓｈａｒｍａ 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