專利名稱：一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，尤其涉及一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的 方法。
背景技術(shù)：
風(fēng)能作為一種清潔能源，在國際上的節(jié)能減排中的地位日益重要，而作為風(fēng)能與 電能的能量轉(zhuǎn)換裝置——風(fēng)力發(fā)電機組，在我國的制造業(yè)中起到越來越重要的作用。我國目前已開發(fā)的風(fēng)電工程項目，90%以上集中在非高海拔地區(qū)，而作為風(fēng)資源 相對較好的西部高海拔地區(qū)，如青海、西藏、云南等區(qū)域，目前尚未實現(xiàn)裝機或只有少數(shù)裝 機，因而已開發(fā)的風(fēng)電工程項目很少。也就是說，目前我國適用于非高海拔地區(qū)的平原型風(fēng) 力發(fā)電機組的技術(shù)很成熟，而適用于高海拔地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機組則較少，尤其是MW級以上 的高海拔風(fēng)力發(fā)電機組還處于空白狀態(tài)。而且，在已開發(fā)的高海拔地區(qū)風(fēng)電工程項目中使用的均是平原型風(fēng)力發(fā)電機組， 由于高海拔地區(qū)的環(huán)境條件與平原地區(qū)有較大差別，例如氣溫較低、空氣密度較小等，因此 如果直接應(yīng)用平原型風(fēng)力發(fā)電機組會存在許多問題。例如，由于隨著海拔高度的增加，空氣 密度隨之減小，當(dāng)海拔高度為3000m時(平均氣溫15°C )，空氣密度為0. 848kg/m3，而機組 的功率曲線受空氣密度影響很大。請一并參考圖1、圖2和圖3，圖1為型號是82/1500的 平原型風(fēng)力發(fā)電機組在平原地區(qū)和高海拔地區(qū)的功率曲線對比圖，其中，型號82/1500是 指風(fēng)力發(fā)電機的葉輪直徑為82m，額定功功率為1500KW(本文中其他型號的含義均與此相 似)，曲線1為平原地區(qū)的功率曲線，曲線2為海拔3000m時的功率曲線。如圖1所示，當(dāng)該 平原型風(fēng)力發(fā)電機組工作于高海拔地區(qū)時，其額定風(fēng)速由工作于標準空氣密度下的10. 3m/ s增加到了 13. lm/s。圖2為葉片受力分析示意圖，其中，V為風(fēng)速，U為葉輪線速度，α為 攻角，dFn為葉輪所受的軸向推力，dFt為葉輪所受的旋轉(zhuǎn)切向力。如圖2所示，當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)速 不變，風(fēng)速增大時，攻角α隨之增大，葉輪所受推力增大。對于葉片而言，當(dāng)攻角α 較大時，氣流與葉片發(fā)生分離，葉片的升阻比在達到最大值后會迅速減小，葉輪氣動功率隨 著風(fēng)速的增加而不再增加反而降低，此刻葉片處于失速狀態(tài)。因此，額定風(fēng)速的增加將增大 葉輪所受的軸向推力，而增加到一定程度便可能使葉片進入失速狀態(tài)。圖3為型號是82/1500的平原型風(fēng)力發(fā)電機工作于高海拔地區(qū)(大于3000m)時 的功率曲線圖。如圖3所示，當(dāng)海拔繼續(xù)升高，空氣密度繼續(xù)降低時，該平原型風(fēng)力發(fā)電機 組會因葉片攻角持續(xù)增大而無法達到額定功率并進入失速狀態(tài)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機 組被吹倒的災(zāi)難性事故。這是因為目前大部分風(fēng)力發(fā)電機組均為變速變槳型機組。對于 變速變槳機組而言，失速狀態(tài)是風(fēng)力發(fā)電機組的非穩(wěn)定工作狀態(tài)。因為風(fēng)力發(fā)電機組在額 定風(fēng)速以下是變轉(zhuǎn)速工作，以使風(fēng)力發(fā)電機組的功率系數(shù)達到最優(yōu)；在額定風(fēng)速以上則通 過改變?nèi)~片的槳距角以使風(fēng)力發(fā)電機組的功率保持在額定功率并減小風(fēng)力發(fā)電機組的推 力載荷，也就是說，在風(fēng)力發(fā)電機組未達到額定功率時，葉片的槳距角不會改變。當(dāng)風(fēng)力發(fā) 電機組在高海拔地區(qū)工作時，風(fēng)力發(fā)電機組由于空氣密度的減小而導(dǎo)致輸出功率降低，而且風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪有可能在葉片失速前無法達到額定功率，此時葉片的槳距角不會主 動改變。隨著風(fēng)速的繼續(xù)增加，葉片進入深度失速狀態(tài)，此時，由于變槳控制系統(tǒng)無法根據(jù) 葉輪的氣動功率判斷葉片的槳距角，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組無法正常工作。另外，風(fēng)力發(fā)電機組 推力載荷隨風(fēng)速的增加而持續(xù)增大，容易導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組被大風(fēng)吹倒的災(zāi)難性事故。由此可知，直接將平原型風(fēng)力發(fā)電機應(yīng)用到高海拔區(qū)域存在許多問題，面對國內(nèi) 乃至世界上高海拔區(qū)域理論可開發(fā)容量和工程可開發(fā)容量巨大、且具有規(guī)?；_發(fā)的資 源條件和環(huán)境條件的現(xiàn)實情況，迫切需要開發(fā)出能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機 組，而且是麗級以上的風(fēng)力發(fā)電機組。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對在高海拔地區(qū)直接采用平原型風(fēng)力發(fā)電機組時存在的上 述問題，提供一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，通過改變現(xiàn)有平原型風(fēng)力 發(fā)電組的葉輪系統(tǒng)，使采用新葉輪系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機組能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作，該方 法可將平原型風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用于高海拔地區(qū)，并避免其進入深度失速狀態(tài)而導(dǎo)致災(zāi)難性事故。為此，本發(fā)明提供了一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其包括下 述步驟1)根據(jù)該高海拔地區(qū)所處的風(fēng)區(qū)等級和年平均空氣密度，確定當(dāng)直接將相同風(fēng)區(qū) 等級的平原型風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用到該高海拔地區(qū)時該平原型風(fēng)力發(fā)電機組的額定風(fēng)速；2) 根據(jù)所述額定風(fēng)速，改變所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)而獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn) 定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。其中，在所述步驟幻中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，增大所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉 輪系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組，所述額定轉(zhuǎn)速的 具體數(shù)值可通過實驗獲得。其中，在所述步驟2、中，在保持所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組葉輪系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速不變 的前提下，根據(jù)所述額定風(fēng)速，在所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組上采用高葉尖速比的葉輪，以獲 得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。優(yōu)選地，所述葉尖速比大于或等于9。其中，在所述步驟幻中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，同時增大所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組 的葉輪系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速和葉輪的葉尖速比，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電 機組。所述額定轉(zhuǎn)速可通過實驗獲得。其中，在所述步驟幻中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，將低額定功率的所述平原型風(fēng)力發(fā) 電機上的葉輪系統(tǒng)改為高額定功率的葉輪系統(tǒng)，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力 發(fā)電機組。例如，在額定功率為1. 5麗的平原型風(fēng)力發(fā)電機組上采用額定功率為2麗的風(fēng) 力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果采用本發(fā)明提供的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，只需要在平原型 風(fēng)力發(fā)電機組上采用增大葉輪額定轉(zhuǎn)速和/或采用高葉尖速比的葉輪的方法，就可提高風(fēng) 力發(fā)電機組在過渡風(fēng)速階段的出力性能，并且可相應(yīng)地降低額定風(fēng)速，從而可以基于平原 型風(fēng)力發(fā)電機組快速獲得能夠在高海拔地區(qū)的穩(wěn)定工作的高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組，進而 提高了設(shè)計和生產(chǎn)的效率，并節(jié)省了人力及物力成本。也就是說，采用本發(fā)明提供的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，對平原型風(fēng)力發(fā)電機組進行簡單高效地設(shè)計、改裝， 就可以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組，從而可在較低的成本下研發(fā)出適 用于高海拔地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機組。


圖1為型號是82/1500的平原型風(fēng)力發(fā)電機組在平原地區(qū)和高海拔地區(qū)的功率曲 線對比圖；圖2為葉片受力分析示意圖；圖3為型號是82/1500的平原型風(fēng)力發(fā)電機工作于高海拔地區(qū)(大于3000m)時 的功率曲線圖；圖4為某種葉片的功率系數(shù)與葉尖速比的關(guān)系曲線圖；圖5為不同轉(zhuǎn)速下的風(fēng)力發(fā)電機組的功率系數(shù)與風(fēng)速關(guān)系曲線圖；圖6為不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)力發(fā)電機組功率與風(fēng)速的關(guān)系曲線圖；以及圖7為不同葉輪直徑風(fēng)力發(fā)電機組的功率與風(fēng)速關(guān)系曲線圖。
具體實施例方式為使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提 供的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法進行詳細說明，其中，本發(fā)明所述高海拔 地區(qū)是指海拔2000m以上的地區(qū)，以下實施例以海拔3000m為例。本發(fā)明第一實施例提供的技術(shù)方案為提高葉輪系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn)速。如表1所示，海拔高度/空氣密度對風(fēng)能密度有較大影響。由于空氣密度影響風(fēng) 能密度，當(dāng)空氣密度降低時，風(fēng)能密度也降低，而風(fēng)能密度直接影響風(fēng)力發(fā)電機組的輸出功 率。如果平原型風(fēng)力發(fā)電機組要在高海拔地區(qū)達到其額定功率，在其它條件不變的情況下， 其額定風(fēng)速必然增大。然而，當(dāng)額定風(fēng)速增大時，風(fēng)力發(fā)電機組又存在由于葉片攻角持續(xù)增 大而無法達到額定功率并進入失速狀態(tài)，從而導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機組被吹倒的災(zāi)難性事故的問 題。表1海拔高度/空氣密度對風(fēng)能的影響(氣溫15°C )
權(quán)利要求
1.一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其通過改變現(xiàn)有平原型風(fēng)力發(fā) 電機組的葉輪系統(tǒng)而獲得可在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組，其特征在 于，所述方法包括下述步驟1)根據(jù)該高海拔地區(qū)所處的風(fēng)區(qū)等級和年平均空氣密度，確定當(dāng)直接將相同風(fēng)區(qū)等級 的平原型風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用到該高海拔地區(qū)時該平原型風(fēng)力發(fā)電機組的額定風(fēng)速；2)根據(jù)所述額定風(fēng)速，改變所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)而獲得能夠在高海拔 地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。
2.如權(quán)利要求1所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在 所述步驟幻中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，增大所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)的額定轉(zhuǎn) 速，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。
3.如權(quán)利要求1所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在 所述步驟2、中，在保持所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組葉輪系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速不變的前提下，根據(jù)所 述額定風(fēng)速，在所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組上采用高葉尖速比的葉輪，以獲得能夠在高海拔 地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。
4.如權(quán)利要求3所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，所 述葉尖速比大于或等于9。
5.如權(quán)利要求1所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在 所述步驟2、中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，同時增大所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)的額定 轉(zhuǎn)速和葉輪的葉尖速比，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。
6.如權(quán)利要求1所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在 所述步驟2、中，根據(jù)所述額定風(fēng)速，將低額定功率的所述平原型風(fēng)力發(fā)電機上的葉輪系統(tǒng) 改為高額定功率的葉輪系統(tǒng)，以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。
7.如權(quán)利要求6所述的提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其特征在于，在 額定功率為1. 5MW的平原型風(fēng)力發(fā)電機組上采用額定功率為2MW的風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系 統(tǒng)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種提高高海拔地區(qū)風(fēng)力發(fā)電機組穩(wěn)定性的方法，其包括下述步驟根據(jù)該高海拔地區(qū)所處的風(fēng)區(qū)等級和年平均空氣密度，確定當(dāng)直接將相同風(fēng)區(qū)等級的平原型風(fēng)力發(fā)電機組應(yīng)用到該高海拔地區(qū)時該平原型風(fēng)力發(fā)電機組的額定風(fēng)速；根據(jù)所述額定風(fēng)速，改變所述平原型風(fēng)力發(fā)電機組的葉輪系統(tǒng)而獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組。采用該方法可對平原型風(fēng)力發(fā)電機組進行簡單高效地設(shè)計、改裝，就可以獲得能夠在高海拔地區(qū)穩(wěn)定工作的風(fēng)力發(fā)電機組，從而可在較低的成本下研發(fā)出適用于高海拔地區(qū)的風(fēng)力發(fā)電機組。
文檔編號F03D7/00GK102116257SQ20101062471
公開日2011年7月6日 申請日期2010年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月29日
發(fā)明者孟慶順, 崔新維, 王斌, 王曉東 申請人:新疆金風(fēng)科技股份有限公司