1.0 MW变速恒频异步风力发电机组设计改型*

杨建秋，陈 宁

(兰州电机股份有限公司 风电产品办公室， 甘肃 兰州 730050)

1.0 MW变速恒频异步风力发电机组设计改型*

杨建秋，陈 宁

(兰州电机股份有限公司 风电产品办公室， 甘肃 兰州 730050)

通过阐述兰电(LEC)与沈工大风能研究所合作研制的FD60-1000样机的设计方案，介绍主要部件风轮、叶片翼型、塔筒改型为FD65-1000风电机组，通过试验得到低风速频率集中的地域，风电机组的发电量明显比样机的发电量要高，而且在接近额定风速区域功率曲线时基本和设计的理论功率曲线接近吻合，通过叶片改型气动外形和分析效果良好。

风电机组；风轮；叶片改型

1 引 言

风轮是风力发电机组利用风能转换为机械能的主要构件，在复杂的气候和地理环境下，叶片通过翼型气动，产生空气动力使风轮旋转，风轮的功率特性对输出功率大小、风能利用系数、发电能力有至关重要的作用，也直接影响着可观的经济效益[1]。

2 1.0 MW风电机组设计改型

2004年兰电自主研制成功1.0 MW双馈异步风力发电机，配套于沈阳工业大学风能技术研究所承担的国家863计划——“SUT-1000型变速恒频风力机组(1.0 MW)”，实现了兆瓦级双馈异步风力发电机的首次国产化，于2005年7月成功并网发电。2006年10月通过科技部验收，各项指标达到技术要求。

同时将这一自主研制的技术应用于沈工大风能所的1.0 MW变速恒频双馈异步风力发电机组中，与兰电合作研制项目编号0801GKDA056，首台型号FD60-1000风电机组样机，已于2007年3月在玉门洁源风电场成功并网发电，经历一年多时间运行，由丹麦Mita WP4100控制系统处理的数据统计，在额定风速时实际功率曲线达不到设计的理论功率曲线。

分析显示影响风力机输出功率大小的直接原因是风轮功率特性，而风轮功率特性又取决于风轮叶片气动外形[2]。

通过对叶片翼型进行改型设计，2010年7月将改型后的风轮安装在玉门洁源风电场进行并网发电。

改型机组的后风轮的空气动力性能获得了较高的风能利用系数和发电能力。此外提高了风轮的安装高度及风电场址选择等多种因素，对机组重新进行载荷计算，满足机组安全要求。

2010年2月再次将塔筒增高，改型设计了型号FD65-1000风机，10台小批量在甘肃景泰兴泉风电场并网发电，同样应用丹麦Mita WP4100控制系统处理数据统计，实际功率曲线基本接近设计的理论功率曲线，发电量明显高于改型前的发电量。

3 玉门低窝铺和景泰兴泉风电场风力资源

甘肃玉门低窝铺、景泰兴泉气象观测站主要气象要素特征值统计表如表1所列。

表1 气象要素特征值统计表

表1(续)

两地域的风电场场址风能分布集中，风能资源接近，兰电1.0 MW风电机组适用于甘肃景泰兴泉风电场。

4 风电机组基本参数

FD60-1000和FD65-1000风电机组改型前、后基本参数对比如表2所列。

表2 机组基本参数表

5 机组改型部件风轮和叶片翼型及塔筒

FD60-1000和FD65-1000风电机组改型前、后风轮和叶片参数对比如表3所列。风轮直径60.62 m、扫风面积2 886 m2改进为直径64.42 m、扫风面积3 257 m2，叶片长度由29.1 m改进为31 m，采用中材科技Sinoma31型号，翼形DU、AE系列+NACA 63，风轮直径增加4 m，面积增加371.7 m2，叶片扭角也相应增加。叶片翼形改型后，在低风速下，FD65-1000机组的发电量明显比FD60-1000机组的发电量要高，且在接近额定风速区域，FD65-1000风机的功率曲线基本接近设计的理论功率曲线。

叶片翼形改型前FD60-1000机组和叶片改翼形型后FD65-1000机组理论功率曲线，如图1、2所示；与风电场机组使用Mita WP4100控制系统软件，统计数据得出实际功率曲线比较如图3、4所示。

表3 风轮和叶片参数表

图1 FD60-1000机组理论功率曲线 图2 FD65-1000机组理论功率曲线

图3 FD60-1000机组软件统计功率曲线

图4 FD65-1000风电机组软件统计功率曲线

根据景泰兴泉气象局资料统计，65 m高度风速频率集中在3.0～9.0 m/s ，其次集中在10～11.0 m/s。3.0 m/s以下和21.0 m/s以上的无效风速和破坏性风速少, 年内变化小。采用WASP9.0软件推算到预装风电机组轮毂高度61.5 m年平均风速为7.52 m/s，平均风功率密度为512 W/m2；65 m年平均风速为7.59 m/s，平均风功率密度为521 W/m2，所以重新设计塔筒，由原设计57.19 m改进63.3 m，轮毂高度增加至65.037 m，并将圆锥式管状钢塔由两节改为三节，通过载荷计算，整机固有频率不会引起机组共振，同时便于运输。

6 叶片翼型改型和分析

6.1 叶片主要截面尺寸

FD65-1000风电机组改型采用了DU、AE系列+NACA 63翼型，Sinoma31叶片的截面位置不同，选择翼型也不同，目的是在保证结构强度的条件下获得最佳的气动性能，几何尺寸如表4所列。

表4 Sinoma31叶片几何尺寸 /mm

6.2 叶片截面位置与弦长扭角和相对厚度分布

Sinoma31叶片考虑到强度要求，沿着叶片展向，选择不同的翼型。叶尖处是叶片能获取风能最多的部位，故选择升阻比高的薄翼型，同时翼型应具备良性的失速特性、表面粗糙度灵敏度低、低噪声的特点；中部选择较厚且气动性能优良的翼型；在叶根处则要重点考虑强度及与轮毂的连接，故选择更厚的翼型。

叶片截面位置与弦长、扭转角分布和相对厚度如图5～7所示。

图5 叶片弦长分布 图6 叶片扭角分布

6.3 叶片平面图

叶片平面图如图8所示。

图7 叶片相对厚度分布 图8 叶片平面

6.4 叶片三维模型

叶片三维模型如图9所示。

图9 叶片三维图

6.5 叶片分析结果

叶片模态分析频率计算，静强度态分析如图10、11所示。

图10 叶片模态分析频率计算 图11 叶片静强度态分析

叶片依据IEC国际标准、德国GL规范，经过模态分析、结构校核、设计载荷计算与载荷分析，功率曲线发电量分析等，满足强度、刚度、结构稳定性要求，避免共振，减小振动及原有轴承能够承载叶片改型后的载荷变化。

7 总 结

改型的FD65-1000风力发电机组调试后运行16个月，风机运行稳定，2011年4～10月的可利用率、发电量统计如表5所列。

机组去除其它允许停机的原因外，可利用率达到97%。兰电改型后的FD65-1000变速恒频双馈异步风力发电机组，由2010年底安装、调试、控制系统参数优化，已经稳定运行至今，机组的气动效率、年发电量、可利用率满足设计要求，额定风速的功率曲线符合设计值。

表5 机组可利用率和发电量统计表

注：①四月份机组进行调试工作；②6#机组变桨控制柜备件从国外采购；③九月份对10台机组进行定期维护保养。

[1] 熊礼俭.风力发电新技术与发电工程设计、运行、维护及标准规范实用手册[M].北京：中国科技文化出版社，2005.

[2] 贺德馨.风工程与工业空气动力学[M].北京：国防工业出版社，2006.

Design Modification of 1.0MW Variable Speed Constant Frequency Wind Turbine

YANG Jian-qiu， CHEN Ning

(TheOfficeforWindPowerProducts,LanzhouElectricCo.,Ltd,LanzhouGansu730050,China)

According to the FD60-1000 prototype design scheme which is developed by LEC and SUT , the modified FD65-1000 wind turbine which including wind rotor, the blades shape and tower modification is mainly introduced. Then the low wind speed frequency area from test is got，and It′s much better than prototype wind turbine in generating capacity. Furthermore, the actual power curve is as same as the theoretical design in the rated wind speed area. So it is verified that it had a good result for blades shape modification and analysis.

wind turbine; wind turbine; blade modification

2013-11-08

杨建秋(1964-)，男，甘肃兰州人，工程师，主要从事风电机组机械设计方面的工作。

TM315

A

1007-4414(2014)01-0051-03