高海拔风电机组设计探讨

2013-03-02吴树梁于良峰何金海

风能 2013年5期

吴树梁，于良峰，何金海

（济南轨道交通装备有限责任公司，济南 250022）

0 引言

高海拔地区，一般指海拔超过2000m的地区。中国高海拔地区主要分布在西部青藏高原、云贵高原西北部山地、天山山地、青藏高原和黄土高原间的过渡山地，占新疆、青海、西藏、云南、宁夏、甘肃、陕西、四川及贵州九省区总面积的50% 以上[1]。但高原地区空气密度较小，所以风功率密度较小，在4000m高空的空气密度大致为地面的67%，如青藏高原北部风功率密度在150 W/m2~200W/m2之间[2]。

1 高原气候特点

高原具有恶劣的自然环境条件，对机组的设计和运行影响较大，气候主要特点包括：空气密度低、湿度大、气压低、温差大、雷暴频繁、日照时间长、紫外线辐射较高等。考虑到不同海拔高度具有不同的环境条件参数，高原型风电机组分为G2、G3、G4、GS等级，如表1所示。

2 高原型机组设计要点

2.1 叶片选型

叶片捕获的风能与叶轮直径、叶型结构、空气密度密切相关。

风轮吸收的风能一般用下列公式（1）[3]表示：

式中：P—风轮吸收功率

ρ—空气密度，标准密度：1.225kg/m3

V—风速；

A—风轮面积，1/4ΠD2（D为风轮直径）

风电机组吸收风能P与空气密度ρ成正比，发电量存在损失，功率曲线需要进行调整。高原空气密度大都在0.8 kg/m3~1.0kg/m3之间，比海平面密度低30%左右，机组额定风速往往较大，机组发电量受影响，且机组在风速大的情况下容易产生失速，不利于机组出力。因此，在高海拔空气密度较低的风电场，可通过适当增加风轮直径，增大风轮转速，从而提高机组发电量。

表1 不同等级高原型风电机组基本参数

2.2 机械部分

高原型风电机组最大风速、极大风速明显增大，会使机组本身安全产生问题，需进行特定厂址机组载荷计算，重新复核整机及部件频率、强度等性能。

2.2.1载荷计算

高原环境条件下的空气密度对功率曲线的影响应在载荷计算中优化，载荷仿真计算时使用根据高原环境条件下空气密度修订过的运行控制算法。该算法应与确定的环境条件相对应。

2.2.2非金属材料

复合材料部件、橡胶、弹性部件等在高海拔环境条件下机械性能可能发生改变，从而影响到这些部件的刚度、弹性力以及阻尼等。如果这些影响涉及到机组传动链的性能，如传动链阻尼、机械刹车性能等，应当在确定部件载荷时考虑。

2.2.3抗低温设计

风电机组的零部件受低温的影响是不同的。风电机组传动系统中的齿轮箱、主轴等部件承受冲击载荷，可能会发生低温的脆性断裂。针对此种情况，应采取适当的热处理方法、表面冷作硬化工艺和提高材料及零件表面的加工质量等措施，提高部件的抗频繁冲击能力。同时，还要避免机组在大风速以及低温下的频繁投切启动、紧急制动等可能会产生较大冲击载荷的操作。发电机底架和塔筒等大型焊接部件，在高寒环境温度下存在低温疲劳问题，需强化设计，提高焊缝疲劳寿命。轮毂、主轴、主轴承、螺栓连接和联轴器等部件也应适当提高设计裕度，从而适应低温环境要求。

2.2.4防腐要求

海拔高、空气稀薄使高原地区太阳辐射增强，高原型机组机械结构部件设计时应加强防腐措施。外露部件（如叶片、塔架、机舱罩和导流罩）的抗腐蚀和紫外线老化性能应通过试验验证，试验辐射强度应根据表1中给出的太阳辐射强度确定。

2.3 电气部分

2.3.1 提高绝缘等级

随着海拔的升高，空气密度逐渐降低，外绝缘强度随之减弱。在海拔5000m范围之内，每升高1000m，外绝缘强度降低12%，空气密度降低10%[4]。风电机组内变频器柜、控制柜、变压器和发电机等电气部件均按相关标准要求，采用特殊工艺设计以提高其电气间隙和爬电距离，从而增强电气绝缘；同时，加强电气部件的密封，增加加热设备或增大加热器功率，修改控制策略，以保证风电机组运行和启动时的绝缘要求。

假设风电机组的额定电压为690V，在不同高度的海拔地区使用时，其电气间隙、工频耐压、冲击耐压值应能满足表2的要求。

（1）绝缘介电强度

按绝缘配合等相关要求，结合产品的绝缘方式，并考虑产品使用海拔的修正系数（见表2、表3），确定绝缘介质最低承受的介电强度。

（2）电气间隙

以空气为绝缘的产品，其电气间隙修正系数值推荐选用表2参数。

（3）电晕及局部放电

应符合常规相应产品标准规定，保证风电机组能够安全可靠地运行。

（4）工频耐受电压和雷电耐受电压

在高原环境条件下，应符合常规相应产品标准的要求，保证产品在高原地区使用时有足够的工频耐压能力和雷电冲击能力。在产品使用与试验海拔不同时，试验的海拔修正系数应满足表4的要求。

表2 绝缘要求

表3 电气间隙修正系数表

2.3.2 机组防雷

高原地区雷暴频繁，对机组的防雷性能要求较高。可采取以下有效措施：在机舱罩内布置整体铜网，形成等电位防雷系统，有效地保护机舱内电气元器件；在叶片的尖部和中间设有两处接闪点，使得叶片接闪的范围增大，有效地避免对叶片的破坏；不同等级的防雷区之间的电源和信号连接都经过防浪涌模块，并且防浪涌模块的状态在监控室可以实时远程监控。

2.4 散热、冷却

在高原环境条件下，温升限值不应超过常规型相应产品标准规定值。空气密度降低引起冷却效应降低，对于自然对流、强迫通风为主散热方式下的元器件，由于散热能力下降，导致温升增加，元器件种类不同，温升增加值也有很大变化。在海拔5000m范围内，每升高1000m，温升增加3%~10%。随着海拔的升高，平均空气温度和最高空气温度逐渐下降，海拔环境空气温度的降低可以部分或全部补偿因空气密度降低引起的温升的增加，环境温度的补偿为5K/km。

另外，由于空气密度和气压的降低，散热所需要的冷却流量发生了改变。空气密度下降，其比热容也降低，则需要相应增加散热通风的流量。因此，在机舱结构设计上需提升通风流量。

2.5 高湿地区防潮

（1）控制柜体的除湿：利用水冷系统、空气循环系统和加热系统，根据空气的含湿特性，建立程序控制立体循环除湿系统。

（2）局部增加除湿机进行除湿，除湿机将空气中的气态水吸入内部冷却形成液态水，通过排水管直接排出柜体外部，降低绝对温度。

（3）重点部位设置热风机，采取直接加热烘干措施。

2.6 防凝冻技术

高原地区昼夜温差大，易引起凝露。风电机组内控制柜均经过防凝露设计（增设加热板和温湿度控制器）。同时还注意到，由于意外停电可能导致的温湿度控制器因无电力供应不能防止结露，以及塔筒其它部分结露形成的水滴进入柜内等。具体办法如下：提高控制柜的密封性能；柜顶装设防雨板或其它防止滴水进柜的措施；湿度控制器根据湿度情况自动工作；控制柜增设强力通风装置。

2.7 低气压环境

大气压力的降低将使空气间隙和产品绝缘材料的电气耐压强度明显下降。根据相关标准，电气设备工作于海拔2000m以上时，电气间隙应为标准电气间隙乘以海拔4000m以内的电气间隙的倍增系数。该系数不适用于爬电距离，但爬电距离始终应至少等于电气间隙的规定值。

表4 工频耐压和雷电冲击耐压修正系数Ka值

2.8 其他注意事项

（1）防风沙设计。如发电机采用独立的散热通风通道，可有效减少机舱与外界的空气交流，防止外界风沙进入机舱。

（2）提高风电机组内变频器和发电机的容量温度，保证在高海拔、低空气密度下风电机组的满功率运行。

（3）采用全金属的超声波风速、风向仪，配备均匀的加热装置，可有效解决低温问题，提升机组可靠性，延长风电机组有效利用小时数，增加发电量。

3 总结

综合国内风能资源情况，结合现有风电技术的发展，估算西部高海拔地区可开发利用的风能资源装机规模可达47.30 GW，目前已规划的装机容量为9.35 GW，可见风能储量相当丰富。本文阐述了高原地区风场的气候特点、高原型风电机组设计的注意事项及相关解决方案，充分了解和掌握高原机型的设计要点可增强机组捕风能力，提高机组运行可靠性，对发展高海拔地区清洁能源产业有重要意义。