風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造的可行性及成本效益分析

崔曉志，王華君

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），威海 264209；2. 河北工業(yè)大學(xué) 風(fēng)能與動(dòng)力工程系，天津 300130）

風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造的可行性及成本效益分析

崔曉志1，王華君2

（1. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），威海 264209；2. 河北工業(yè)大學(xué) 風(fēng)能與動(dòng)力工程系，天津 300130）

在目前國(guó)內(nèi)大力發(fā)展低風(fēng)速風(fēng)電場(chǎng)的背景下，本文提出一種在風(fēng)速較預(yù)期值偏低的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造的方案。文中通過(guò)Bladed軟件對(duì)改造風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，同時(shí)簡(jiǎn)要分析了葉片改造成本和風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益，進(jìn)而論證了該方案的可行性和工程意義。

葉片加長(zhǎng)；Blade仿真；可行性

0 引言

作為風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，葉片對(duì)提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲量起到至關(guān)重要的作用[1]，不同風(fēng)電場(chǎng)根據(jù)各自風(fēng)況裝備了相應(yīng)長(zhǎng)度葉片的風(fēng)電機(jī)組。因此，風(fēng)電機(jī)組風(fēng)能捕獲量更多地受風(fēng)況影響[2]。如果某早期風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)期間風(fēng)速小于預(yù)期風(fēng)速，那么將會(huì)給風(fēng)電場(chǎng)帶來(lái)很大的損失。本文提出一種風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造方案，用以彌補(bǔ)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速較預(yù)期值偏低的不足。同時(shí)，在確保風(fēng)電機(jī)組整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的前提下，適當(dāng)增長(zhǎng)葉片長(zhǎng)度可以有效地提高風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性[3]。

1 風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)建模和實(shí)驗(yàn)仿真

改造方案可對(duì)風(fēng)電機(jī)組葉片進(jìn)行不同程度的加長(zhǎng)改造，通過(guò)Bladed仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證它的工程應(yīng)用可行性。Bladed軟件可以全面分析模型風(fēng)電機(jī)組的葉片載荷、輸入功率及槳距角等其他部件的工作狀態(tài)[4]。

仿真實(shí)驗(yàn)中擬取77m直徑葉輪的2MW變槳距風(fēng)電機(jī)組為樣本，通過(guò)Bladed軟件獲取該風(fēng)電機(jī)組額定功率下的有效風(fēng)速（根據(jù)距地面65m高度處風(fēng)速為10m高度處的1.94倍，假設(shè)某地區(qū)10m高度的年平均風(fēng)速為5.8m/s，則65m高度處的年平均風(fēng)速為11.25m/s，有效風(fēng)速應(yīng)在該風(fēng)速附近），葉片振動(dòng)響應(yīng)，槳距角變化及功率輸入等圖形。以此數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)，分別選取葉輪直徑為87m和95m的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中保證風(fēng)電機(jī)組工作于有效風(fēng)速下，同時(shí)利用Bladed控制策略確保葉片振動(dòng)頻率在安全振動(dòng)頻率之內(nèi)[5]并記錄各風(fēng)電機(jī)組輸入功率。

2 風(fēng)電機(jī)組仿真基準(zhǔn)模型的建立

2.1 風(fēng)況仿真模型

在建立風(fēng)電機(jī)組仿真模型之前首先確定實(shí)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)況。風(fēng)速屬于偏正態(tài)分布，可以通過(guò)威布爾函數(shù)擬合成風(fēng)速線性分布圖[6]，函數(shù)中的特征參數(shù)根據(jù)所選風(fēng)況對(duì)象長(zhǎng)時(shí)間實(shí)測(cè)所得，對(duì)平均風(fēng)速的描述具有較大的逼真度。

威布爾（Weibull）概率密度函數(shù)表達(dá)式為：

公式中，c和k為威布爾概率密度函數(shù)的兩個(gè)特征參數(shù)。形狀參數(shù)k通過(guò)查資料計(jì)算所得，它對(duì)曲線分布有很大影響；尺度參數(shù)c表示平均風(fēng)速[7]。該公式意義在于說(shuō)明在某地平均風(fēng)速已知前提下，該地各風(fēng)速分布所對(duì)應(yīng)的年時(shí)長(zhǎng)百分比。圖1中的風(fēng)場(chǎng)選取威布爾分布參數(shù)c（平均風(fēng)速）為5.80，k（形狀參數(shù)）為2.0的風(fēng)速模型。通過(guò)對(duì)比，該風(fēng)速滿足風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的要求，具有較大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。

2.2 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型

該仿真過(guò)程通過(guò)Bladed仿真軟件建立風(fēng)電機(jī)組模型，模型中設(shè)定風(fēng)電機(jī)組葉輪半徑為37.25m，直徑為77m，塔筒高為65m，額定功率為2MW，同時(shí)該風(fēng)電機(jī)組具有靈活的變槳功能，如圖2所示。建模過(guò)程中根據(jù)參考需要，圖3中規(guī)定了葉片振動(dòng)坐標(biāo)系，分別取沿機(jī)艙水平方向?yàn)閄軸，沿葉片方向?yàn)閆軸，兩軸交與O點(diǎn)，取過(guò)O點(diǎn)垂直于面ZOX的直線為Y軸。DX 、DY 、DZ分別定義了葉片振動(dòng)的正方向。圖4、圖5分別指出了基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型的葉片長(zhǎng)度、葉片剛度、風(fēng)輪直徑、風(fēng)輪半徑和塔筒高度等具體參數(shù)。

通過(guò)Bladed軟件對(duì)基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型仿真可得，該77m葉輪風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)小幅值振動(dòng)，主要表現(xiàn)為葉片的舞振。由于風(fēng)電機(jī)組在掃風(fēng)面積上承受較大的氣動(dòng)推力，葉片顫振時(shí)以沿X軸方向上1.65m處為平衡點(diǎn)，最大幅值為0.72m（占葉片長(zhǎng)度的1.818%），大部分幅值為0.32m（占葉片長(zhǎng)度的0.779%），振動(dòng)頻率為1.5Hz。葉片的擺振為0.20m振幅的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)。由于在振動(dòng)模型中所選葉片在運(yùn)行時(shí)會(huì)向Y軸相反的方向運(yùn)行，因此，擺振的平衡點(diǎn)在－0.05m處。該振動(dòng)頻率為0.6Hz，而且基本不因風(fēng)況改變而波動(dòng)。

葉片槳距角的變化會(huì)隨著葉片顫振情況發(fā)生相應(yīng)的變化。將槳距角弧度轉(zhuǎn)換為角度，則變槳距范圍約在－2.0°到2.1°之間。低風(fēng)速風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)時(shí)槳距角為負(fù)攻角增大，使葉片獲得一個(gè)較大的升力，從而提高了葉片的氣動(dòng)性和啟動(dòng)性[8]。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，槳距角會(huì)隨著葉片舞振幅值和頻率進(jìn)行相應(yīng)的變化，如圖7所示。由圖6分析可得，當(dāng)葉片沿X軸振幅增大時(shí)槳距角會(huì)向負(fù)槳距角變化，而當(dāng)葉片沿X軸振幅減小時(shí)槳距角會(huì)向正槳距角變化。同時(shí)，槳距角的變化具有一定的延遲性，但在保證風(fēng)電機(jī)組安全高效運(yùn)行時(shí)有著舉足輕重的作用。

圖1 風(fēng)速威布爾分布模型

圖2 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型圖

圖3 葉片振動(dòng)坐標(biāo)系

圖4 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型中葉片參數(shù)

對(duì)于2MW風(fēng)電機(jī)組，雖然該葉片振動(dòng)不影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行，但是如圖8所示，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行20s處可能由于風(fēng)況的突變，風(fēng)電機(jī)組輸入功率發(fā)生一個(gè)較大的跌落（50s處該功率跌落是由于風(fēng)電機(jī)組停機(jī)所致），這就有可能導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)生并網(wǎng)事故，極大地影響了風(fēng)電場(chǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在這種情況下就迫切需要有一種合理的方案來(lái)彌補(bǔ)該風(fēng)電場(chǎng)的缺陷。

3 風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造仿真

在現(xiàn)有風(fēng)電機(jī)組樣機(jī)基礎(chǔ)上對(duì)77m葉輪風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行葉片加長(zhǎng)改造，改造過(guò)程中只改變風(fēng)電機(jī)組的葉輪，保持風(fēng)電機(jī)組的翼型不變。之后，在該風(fēng)場(chǎng)11.25m/s的風(fēng)速下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，分別獲取83m和95m葉輪風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)的葉片振動(dòng)、槳距角變化和功率曲線圖形。

葉片更換時(shí)盡量保證葉片的剛度、質(zhì)量、翼型不發(fā)生較大變化，這樣做的目的是為了避免因翼型等非葉片長(zhǎng)度參數(shù)所引起的干擾，同時(shí)對(duì)不同葉片長(zhǎng)度的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，從中找出較為合適的葉片改造方案。

3.1 83m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型仿真

圖5 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型中風(fēng)輪和塔筒參數(shù)

圖6 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型中葉片振動(dòng)和槳距角變化

圖7 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型中葉片槳距角變化

圖8 基準(zhǔn)風(fēng)電機(jī)組模型的輸入功率

圖9 83m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中葉片振動(dòng)和槳距角變化

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，83m葉輪風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)葉片主要振動(dòng)形式為舞振，如圖9所示。相比于77m葉輪風(fēng)電機(jī)組葉片的舞振，該葉片舞振幅值增大，由于受氣動(dòng)推力較大振動(dòng)平衡點(diǎn)沿X軸后移至1.92m處，最大幅值為1.91m（占葉片長(zhǎng)度的4.578%），大部分幅值為1.53m（占葉片長(zhǎng)度的3.614%）和0.60m（占葉片長(zhǎng)度的1.446%），振動(dòng)頻率下降至1Hz。葉片的擺振仍為簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)平衡點(diǎn)在－0.10m處，振幅為0.30m，振動(dòng)頻率為0.6Hz。但是擺振幅值頂端出現(xiàn)毛刺，說(shuō)明葉片尖端隨葉片增長(zhǎng)產(chǎn)生高階振動(dòng)，相對(duì)而言這就稍微增大了葉片的不穩(wěn)定性。

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)葉片的槳距角在－2.0°到5.16°之間變化。啟動(dòng)時(shí)槳距角為負(fù)值滿足風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)特性，在風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)一直為正值最大達(dá)到5.16°，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組遇到湍流等不穩(wěn)定風(fēng)況時(shí)槳距角增大，該過(guò)程中變槳距系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)槳距角確保葉片運(yùn)行的穩(wěn)定性，之后風(fēng)電機(jī)組停機(jī)時(shí)葉片槳距角恢復(fù)。整個(gè)過(guò)程中槳距角沒(méi)有發(fā)生較大的或者突發(fā)的變化，它對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行有著良好的友好性，如圖10所示。

在該83m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中，風(fēng)電機(jī)組輸入功率穩(wěn)定地保持在2MW附近，雖然該功率曲線有很多波動(dòng)，但波動(dòng)范圍小基本符合正常風(fēng)電機(jī)組功率輸入曲線，如圖11所示。同時(shí)，該模型在20s風(fēng)電機(jī)組遭遇不穩(wěn)定風(fēng)況時(shí)功率曲線沒(méi)有太大的波動(dòng)，屬于較理想的功率輸入曲線，能夠使風(fēng)電機(jī)組維持在額定功率附近而且能較好的支持風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)特性。

3.2 95m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型仿真

經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該95m葉輪風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行時(shí)葉片主要振動(dòng)形式仍舊為舞振，相比于之前風(fēng)電機(jī)組葉片的舞振該葉片舞振幅值明顯增大，如圖12所示。由于受到更大面積的氣動(dòng)推力，該振動(dòng)平衡點(diǎn)沿X軸后移至2.73m處，最大幅值為6.2m（占葉片長(zhǎng)度的12.631%），大部分幅值為1.79m（占葉片長(zhǎng)度的3.789%）和0.40m（占葉片長(zhǎng)度的0.842%），振動(dòng)頻率下降至0.8Hz。該模型風(fēng)電機(jī)組葉片的擺振仍是簡(jiǎn)諧振動(dòng)，振動(dòng)平衡點(diǎn)在-0.10m處，振幅為0.50m，振動(dòng)頻率為0.58Hz。擺振幅值比較均勻?qū)︼L(fēng)電機(jī)組的自身安全和運(yùn)行沒(méi)有太大影響。

圖10 83m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中槳距角變化（圖片來(lái)源：GH Bladed）

圖11 83m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中輸入功率變化（圖片來(lái)源：GH Bladed）

圖12 95m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中葉片振動(dòng)和槳距角變化

圖13 95m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中槳距角變化

圖14 95m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中輸入功率變化（圖片來(lái)源：GH Bladed ）

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)葉片的槳距角在-1.0°到8.1°范圍內(nèi)變化，在實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中槳距角一直在2.28°到8.1°之間波動(dòng)。該風(fēng)電機(jī)組模型在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)槳距角變化頻率較大，槳距角的大小以波浪式跳變，這種變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組的變槳系統(tǒng)有較大的破壞性，如圖13所示。同時(shí)，在風(fēng)電機(jī)組停機(jī)過(guò)程中槳距角由正變?yōu)樨?fù)再變?yōu)檎龝?huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組整體產(chǎn)生較大的沖擊，容易導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組停機(jī)事故。

在95m葉輪風(fēng)電機(jī)組模型中，風(fēng)電機(jī)組輸入功率平均值保持在2MW附近，但該功率波動(dòng)頻率和幅值都比較明顯，正態(tài)分布曲線中表現(xiàn)為方差值偏大，如圖14所示。風(fēng)電機(jī)組在停機(jī)時(shí)該種波動(dòng)反而更劇烈，這對(duì)風(fēng)電機(jī)組停機(jī)有致命性打擊。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，由于機(jī)組電機(jī)容易發(fā)生故障，風(fēng)電機(jī)組故障維修成本增高，同時(shí)極大地降低了風(fēng)電機(jī)組發(fā)電時(shí)長(zhǎng)和風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量，從而也降低了風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性。

4 風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)造價(jià)和度電成本分析

在考慮到風(fēng)電機(jī)組葉片成本約占到整機(jī)成本15%－20%[9]的前提下，為有效提高風(fēng)電機(jī)組改造的經(jīng)濟(jì)效益，現(xiàn)在對(duì)通過(guò)增加風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度來(lái)增加風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的方案進(jìn)行簡(jiǎn)要分析[10]。方案中以三種額定功率相同、葉片長(zhǎng)度不同的風(fēng)電機(jī)組作對(duì)比。通過(guò)搜集參數(shù)數(shù)據(jù)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，由文獻(xiàn)[11]得，統(tǒng)計(jì)整理得以下表格數(shù)據(jù)（表2和表3中風(fēng)速為10m高度處的值）。

表1 三類葉片長(zhǎng)度不同的風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

表2 不同條件下機(jī)組的年發(fā)電量與總成本比較

表3 3類風(fēng)電機(jī)組葉片造價(jià)和度電成本（元/kWh）

分別對(duì)比表2和3中的數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

(1) 相同風(fēng)速下，隨著風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)年發(fā)電量也會(huì)增大，風(fēng)電機(jī)組成本也隨著增加，但平均風(fēng)速偏低時(shí)發(fā)電量增幅明顯；

(2) 隨著平均風(fēng)速的增加，長(zhǎng)葉片風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量增幅較大，而短葉片風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量增長(zhǎng)比值較大即開(kāi)發(fā)潛力較大；

(3) 在平均風(fēng)速偏低時(shí)，適當(dāng)增加風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度能夠顯著地提高風(fēng)電機(jī)組的年發(fā)電量，而且度電成本也會(huì)有明顯的下降[12]。

通過(guò)對(duì)不同風(fēng)況下不同葉片長(zhǎng)度風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比和分析可得，在不考慮風(fēng)電機(jī)組特定因素和技術(shù)要求前提下，在平均風(fēng)速偏低地區(qū)適當(dāng)增加葉片長(zhǎng)度可以較大地提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能捕獲量，如第二類風(fēng)電機(jī)組的改造方案，雖然風(fēng)電機(jī)組成本有所增加，但是風(fēng)電機(jī)組度電成本會(huì)降低，能夠達(dá)到直接提升風(fēng)電機(jī)組經(jīng)濟(jì)效益的目的。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造方案并進(jìn)行了必要的實(shí)驗(yàn)仿真和工程可行性分析。對(duì)風(fēng)電場(chǎng)機(jī)型改造或許有一定實(shí)際意義。在當(dāng)前風(fēng)輪直徑為40m－70m之間的大部分風(fēng)場(chǎng)中，通過(guò)調(diào)研可以在風(fēng)速較預(yù)期風(fēng)速偏低的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行葉片直徑為80m－95m的更換改造，同時(shí)要做好風(fēng)電機(jī)組葉片變槳防振，發(fā)電機(jī)組功率控制和機(jī)艙平衡等措施的布置。風(fēng)電機(jī)組葉片加長(zhǎng)改造需做好相應(yīng)的防護(hù)預(yù)案，在保障風(fēng)電機(jī)組可靠性的前提下便可以延長(zhǎng)風(fēng)能可利用時(shí)長(zhǎng)、提高風(fēng)能利用系數(shù)、風(fēng)電機(jī)組年發(fā)電量以及風(fēng)場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益[13]。

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Analysis of the Feasibility and Cost Bene fi t of Wind Turbine Blade Extension Transformation

Cui Xiaozhi, Wang Huajun
(1. Harbin Institute of Technology at WeiHai, Weihai 264209, China;2. Wind Energy & Power Engineering Major of Hebei University of Technology, Tianjin 300130, China)

Under the circumstance of vigorous development of low-speed wind power market in the domestic, this paper presented a program of blade lengthening transformation, where the wind speed is lower than the expected value. In the text, a simulation of the transformed wind turbine was performed by Bladed. Meanwhile, this paper analyzed the cost of transformation and the economic bene fi ts of wind turbines. Then its feasibility and engineering signi fi cance were demonstrated.

lengthen blade; Blade simulation; feasibility

TM614

A

1674-9219(2013)11-0094-07

2013-08-20。

崔曉志（1990-），男，碩士，就讀于哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）。

王華君（1957-），男，教授，中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)委員，天津市新能源產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)副秘書長(zhǎng)。主要從事風(fēng)電工程教學(xué)工作，主要研究領(lǐng)域?yàn)轱L(fēng)電整機(jī)技術(shù)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)及控制系統(tǒng)。