扇区管理在风电场设计和运行中的研究与应用.docx

第 32 卷 第 4 期2014 年 4 月可再生能源Renewable Energy ResourcesVol.32 No.4 Apr. 2014扇 区 管 理 在 风 电 场 设 计 和 运 行 中 的 研 究 与 应 用张果宇（中广核风电有限公司 东南分公司， 浙江 杭州 310012）摘 要： 由于大型风电场的尾流叠加效应以及山地复杂地形等因素影响， 对风电场风机安全运行提出了更高 的要求。 国内发生过数起由特殊风况因素导致的风机事故，原因是在风电场设计和运行阶段没有充分考虑特殊 风况对风机安全性的影响。 扇区管理技术可减少某个风向上特殊风况对风机的危害，降低风机的载荷，确保风 机安全运行。 文章从风电场设计和安全运行的角度出发，通过技术分析和应用实例来探讨扇区管理在风电场设 计和运行中的作用。关键词： 风电场； 扇区管理； 湍流强度； 安全性中图分类号： TK83 文献标志码： A 文章编号： 1671-5292（2014）04-0450-06DOI:10.13941/ki.21-1469/tk.2014.04.0130引言近年来国内风电快速发展，西北地区、华北地 区、东北地区的发展尤其迅速，形成了多个百万千 瓦装机规模的大型风电区域。 但由于大型风电区 域往往远离负荷中心， 电网接入和消纳存在诸多 问题，出现了风电场大量弃风的情况，使得原有风 电装机容量无法发挥效益。 因此近期风电场多选 择在沿海山地和内陆山地等负荷中心区域开发建 设。大型风电场以及山地风电场建设越来越多， 由于大型风电场的尾流叠加效应以及山地复杂地 形等因素影响， 对风电场风机安全运行提出更高 的要求。 扇区管理技术可减少某个风向段 （风速 段）特殊风况对风机的危害，降低风机的载荷，确 保风机的安全运行。 本文从风电场设计和安全运 行的角度出发， 探讨和分析扇区管理在风电场设 计和运行中的作用。1问题的提出与应用现状我国南方某海岛风电场由于地形复杂、 机位 布置不尽合理， 造成有些机位湍流强度大于风机 设计值，使某机组运行中经常发生振动，两年后机 舱与塔筒联接处螺栓断裂， 险些酿成机舱坠落的 重大事故。大型风电场的尾流叠加效应可能导致个别机位在某个风向上出现特殊风况， 从而导致该机位 疲劳载荷和极限载荷超过风机的设计值， 造成风 电机组振动、机械损伤、风机破坏等后果。同理，在 山地风电场中， 复杂地形对气流的影响及机位尾 流叠加等综合因素， 也会导致某些机位在某个风 向上出现特殊气流情况， 对风电场设计和风机安 全运行提出更高的要求。扇区管理技术可对某机位在某时间段、 风向 段、风速段实施停机操作，减少某个风向上特殊风 况对风机的危害，降低风机的载荷，以降低发电量 为代价确保风机的安全运行。极大风速过大、湍流 强度过大、风机入流角大于设计值等特殊风况，都 可能导致机位疲劳载荷和极限载荷超过风机的设 计值，出现风电机组振动，甚至发生机组损伤等事 故。目前， 扇区管理技术在国外得到较为普遍的 重视，Vestas 风机制造商也在国内几个风电场实 施和应用了扇区管理技术，得到了良好的反馈。但 我国对扇区管理重视程度不高， 国内的投资运营 商、 风机制造商和设计院等都将重点偏向于风电 场装机容量和发电量的设计， 忽略了对风机安全 性的考量。 目前国内科研院所、高等院校、风机厂 商扇区管理技术的研究报告和科研成果极少。国内发生过数起特殊气流导致的风机事故，收稿日期： 2013-02-22。作者简介： 张果宇（1985-），男，硕士研究生，工程师，从事风资源评估、流场仿真及风电开发等工作。 E-mail:都是因为风电场在设计阶段没有较好考虑特殊风 况对风机安全性的影响， 没有在风电场运行期间 合理应用扇区管理技术，造成风机振动所致。因此 在风电场设计和运行中， 有必要强调扇区管理技 术在特定环境下应用的重要性， 在大型风电场和 山地风电场的设计和运行阶段对特殊机位的特殊 风况予以重视，并合理运用扇区管理技术，以确保 风电场运行安全。2 扇区管理技术2.1 扇区管理的定义扇区管理技术是对机组在某时间段、风向段、风电场中风机承受的有效湍流强度由环境湍 流强度和风电机组尾流产生的湍流强度两部分组 成。 根据 IEC61400-1 的设计要求，每一个风速区 间下风机承受的有效湍流强度均不能超过设计湍 流强度1，2。湍流强度值在 IEC61400-1 第二版（1999）称 为 特 征 湍 流 值 ， 第 三 版 （2005） 称为代表性湍流 值6，7。IEC61400-1 第二版（1999）部分参数设计标 准见表 1，湍流强度设计模型为=I15（15+aVhub）/（a+1）（2）风速段实施顺桨、停机操作，减少某个风向上特殊 风况对风机的危害，降低风机的载荷，以降低发电I = =IT Vhub15（15/Vhub+a）/（a+1）（3）量为代价确保风机的安全运行。特殊风况是比如极大风速、湍流强度、风机入 流角大于设计值等特殊情况， 可能导致机组局部 和整机疲劳载荷和极限载荷超过风机的设计值， 使得风电机组叶片、轮毂、机舱和塔筒等重要部件 发生振动、扭振等情况，当载荷超过风机设计载荷 时，造成风电机组损伤及其他严重事故。2.2 影响风机安全性的各种风况参数影响风机安全运行的参数很多，有风况参数、 机械参数、电气参数以及电网因素等。现仅就风资 源情况对风机安全运行的影响进行分析和探讨。风机安全运行的风况参数主要有平均风速、 最大风速、极大风速、风向、湍流强度、入流角等。 将这些风况参数与风机设计标准 IEC 61400-1-式中：IT 为湍流强度 ；I15 为 15 m/s 风速下湍流 强度； 为 10 min 标准偏差；Vhub 为轮毂高度 10 min 平均风速；a 为设计参数；Vref 为 50 年一遇最大风 速；Vave 为年平均风速。表 1 IEC 61400-1 第二版（1999）风机部分参数设计标准 Table 1 Wind turbine design standards of IEC61400-1 2nd edition（1999）WTGS classIIIIIIIVVref /ms-15042.537.530Vave /ms-1AI80.18Aa2222BI60.16Ba3333IEC61400-1 第三版（2005）部分参数设计标 准见表 2，湍流强度设计模型为2005（1999）或 GL-2010 设计标准进行比较，当设=I15（0.75Vhub+5.6）（4）计和运行时某机位的风况参数大于设计标准时，应加倍注意，优化设计方案，以免在运行中出现机I = T Vhub=I15（0.75/Vhub+5.6）/Vhub（5）组振动等故障。IEC 61400-1-2005 对湍流强度的定义：I = （1）T V式中：IT 为湍流强度； 为 10 min 标准偏差；V 为10 min 平均风速。风电场的湍流对风电机组性能有不利影响，式中：IT 为湍流强度 ；I15 为 15 m/s 风速下湍流 强 度； 为 10 min 标准偏差；Vhub 为轮毂高度 10 min 平均风速；Vref 为 50 年一遇最大风速。表 2 IEC 61400-1 第三版（2005）风机部分参数设计标准 Table 2 Wind turbine design standards of IEC61400-1 3rd edition（2005） WTGS classIIIIII 主要是减少输出功率，还可能引起极端荷载，最终 削弱和破坏风电机组。 湍流强度 IT 值在等于或小Vref /ms-1A I15B I1550437.5于 0.10 表示湍流相对较小，中等程度湍流的 IT 值为 0.100.25，IT 值大于 0.25 表明湍流过大。 对风 电场而言，要求湍流强度 IT 值不超过 0.25。 C I15 0.12 2.3 发生特殊风况的原因某机位发生特殊风况的原因较多， 有气候原因，也有地形因素，这些在风电场设计和运行中都 需要谨慎关注。 主要有以下几点。该区域突发极端气候， 最大风速和极大风 速等超过设计标准；尾流叠加因素， 大型风电场某机位受上风 向风机尾流影响较大，机位的风速降低，湍流强度 值显著升高，机组振动加剧；复杂山地因素， 山地复杂地形易使稳定气 流发生挤压、变向、加速、紊乱等情况，使得某机位 的极大风速、湍流强度、入流角等发生显著变化。3扇区管理应用的思路和办法扇区管理技术的应用主要是当风电场设计阶 段发现某些机位计算风况数值超过风机安全设计 值， 以及当风电场运营阶段出现机组振动及其他 安全隐患的时候，对机组在某风向段（风速段）实 施停机操作，减少某个风向段（风速段）特殊风况 对风机的危害，确保风机的安全运行。当设计时发现机位湍流强度过大、 风机入流 角、瞬间风速过大超过设计值等特殊风况，或者风 机运行期间发现机组振动等异常情况时, 扇区管 理应用的思路如下。清楚出现这些极端风况时主要分布在哪些 风向， 并得出风向玫瑰图、 湍流强度分布玫瑰图 等；4扇区管理在风电场应用实例和数据分析现具体描述扇区管理技术在某风电场项目中 的应用。 描述风电场情况以及出现特殊风况的状 态，并根据判断和分析出现特殊风况的原因，采取 合适的扇区管理方式，实现风机的安全运行。 4.1 风电场项目情况风电场位于南方某海岛， 为典型的海岛山地 风电场,装机容量 1.5 万 kW，安装有 20 台 750 kW 风电机组，叶轮直径 49 m，轮毂高度 50 m。 2008 年 投 产 发 电 ， 年 发 电 量 27.9 GWh， 尾 流 损 失 7.56%。项目场址内，测风塔年平均风速 7.76 m/s，主 风 向 NE， 风 切 变 0.083 7， 平均环境湍流强度 10.5%，15 m/s 下湍流强度 7%。 20 台 750 kW 风电 机组布置见图 1。1213*4 31512111014 91687 6201751819计算出测风塔及该机位的风频分布， 以及 该机位各风速段和各风向段的湍流强度矩阵列 表；分析该机位出现极端风况的原因， 是由于 上风向机位尾流影响， 还是特殊风向下复杂地形 对气流的诱导作用， 或者是在极端气候条件下出 现的风况；限制机位出现极端风况时风向的出力，实 施风机顺桨，并停机处理，减小极端风况对风机产 生的极端载荷；计算在该风向段停机期间， 风机损失的发 电量；合理平衡停机风向段（风速段）的大小以及 发电量变化的矛盾， 满足风电机组安全运行的基 础上实现发电量最大化。根据经验 ， 风机损失发电量控制在 15%以 下，控制扇区个数限制在 2 个以下，控制扇区角度 在 30 以下，控制扇区尽量避开机位主风向。图 1 南方某海岛风电场风机排布图Fig.1 The map of a wind farm on southern island运行情况：风电场 8#，14# 风机长期处于振动 状态。 2010 年，风电场运行 2 年后，14# 风机机舱 和塔筒联接螺栓断裂， 险些发生风机机舱坠落事 故。4.2 机位风况参数分析经过 分 析 ，7#，8#，14#，18# 风机机位位于山 凹处，地形影响使得气流紊乱，加上机位间间距过 近 （100 m 左 右 ， 约 2 倍 风 轮 直 径 ）， 尾 流 影 响 较 大， 多个因素导致这些机位的湍流强度过大 （表 3）。00.080.060.040.02005101520风速/ms-12530表 3 7#，8#，14#，18# 机位风速、湍流强度等参数列表频率Table 3 The Parameter table of 7#，8#，14#，18#机位平均风速m/s15 m/s 下流强度/%平均湍流强度/%尾流损失/%发电量MWh7#6.5821.020.410.631 5108#5.7020.124.317.441 09414#5.371970 18#6.6222.017.72.521 537 下面以 14# 机位为例， 画出 14# 机位的风向 玫瑰图 （ 图 2）、 湍流强度扇区 玫 瑰 图 （ 图 3）、 weibull 分布图（图 4）、湍流强度分布与设计值比 较图（图 5），分析导致机位湍流强度过大的原因。图 4 14# 机位 weibull 分布图（A=6.4，k=1.83）Fig.4 The Weibull distribution map of position 14#机位湍流强度湍 流 强 度 设 计 值0.40T0.35湍流强度 I0.3050.100.05025.0%051015202530风速/ms-1图 5 14# 机位流强度分布与设计值比较图Fig.5 The comparing map of turbulence intensity and design intensity of position 14#图 2 14# 机位风向玫瑰图Fig.2 The wind rose map of position 14#0下湍流强度为 19.1%， 都远远大于 IEC-I 类风机 设计值。 由此可以推断出 14# 机位长期处于振动 状态的原因。4.3 扇区管理实施方法合理平衡停机风向区间段、 风速区间段的大315300285270330345815730645546032751090小以及发电量变化的矛盾， 在满足风电机组安全 运行的基础上实现发电量最大化。 限制机位某风 向段出现极端风况时风向的出力，实施风机顺桨， 并停机处理，使得测试值小于机组设计值，减小特 殊风况对风机产生的极端载荷； 计算在该风向段255240225210195180165150105120135停机期间，风机损失的发电量；合理调节风向段角 度控制值，在最小发电量损失的条件下，满足测试 值小于机组设计值。4.4 扇区管理实施后该机位参数列表、 发电量和 风机安全表现图 3 14# 机位湍流强度扇区图Fig.3 The turbulence intensity rose map of position 14#由图 1 可见，14# 机位处于山凹位置， 位于 16# 机位的尾流下风向， 位于 9# 和 10# 风机中 间，受地形因素和尾流效应等多重因素作用。由图在本案例中， 对 7#，8#，14#，18# 风机进行扇 区管理，见表 4。表 4 7#，8#，14#，18# 控制扇区角度表Table 4 The controlling sector angle table of position 7#，8#，14#，18# 机 位控 制 扇 区 角 度/()说 明 3 可知 ，14# 机位湍流强度值在风速为 316 m/s时大于设计值，而从图 2 可知 316 m/s 风速段是 风频集中区，1525 m/s 风速段几乎没有风， 以上7#8#14#210245230250，320340280340受 8# 机位尾流影响受 9#,16# 机位尾流影响 受 9#,10# 机位尾流影响因素导致 14# 机位平均湍流强度为 26.2%，15 m/s 18# 135165 受 19# 机 位 尾 流 影 响 通过合理运用扇区管理技术，控制扇区角度， 较明显地降低了湍流强度值。由表 5 可知，方案将 各机位 15 m/s 湍流强度降到 18.5%以下， 平均湍 流强度降到 20%以下，单机发电量损失在 10%以 下， 较明显地降低了这些机位由于地形因素和尾 流效应诱发的气流紊乱的状况， 降低了机组的疲 劳载荷和极限载荷， 这些机位没有再发生明显的 振动现象。虽然在某些风向顺桨停机，发电量受到 一定影响，但确保了风机的安全运行，也降低了机 组的维修成本。表 5 7#，8#，14#，18# 机位扇区管理后风速、湍流强度、影响C北京：龙源电力集团公司会议论文，2008. 1 Wang Chengkai. The calculation of wind turbulence in-tensity and influence on the selection of the wind tur- bines C. Beijing: China Longyuan Power Group Com- pany Conference Papers，2008.2 孙嘉兴风电机组机位有效湍流强度计算方法归纳分 析J风能，2010（2）：51-58.2 Sun Jiaxing. Inductive analysis of Effective turbulence intensity calculation method on Wind turbines J. Jour- nal of Wind Power，2010（2）：51-58.3 易雯岚WindFarmer 软件的风电场优化设计J电力勘 测设计，2009（5）：73-76.3 Yi Wenlan. Optimization design of WindFarmer software发电量等参数表Table 5 The Parameter table of 7#，8#，14#，18#on wind farm. J. Electric Power Survey Design，2009（5）：73-76.机 控制扇区 15m/s 湍 平均湍流 原发电 现发电 发电量4苗矿伟，李思亮，李思涵风电场微观选址中扇区荷载 研究及应用R武汉：风脉（武汉）可再生能源技术有 限责任公司，2012.4Miao Kuangwei, Li Siliang, Li Sihan. Sector load re-search and application for Microscopic siting wind farmR. Wuhan: Wind Vein (Wuhan) Renewable Energy5结束语5Technology co., LTD., 2012.张果宇风力发电机叶轮气动数值模拟研究与性能预 合理使用扇区管理技术，能平衡各因素（湍流测D武汉：武汉大学，2008.强度和发电量等）对风电场安全运行的影响。在运5Zhang Guoyu. Numerical simulation research and per-用扇区管理中，建议风机损失发电量控制在 15%formance prediction on wind turbine impeller aerody-以下，控制扇区个数限制在 2 个以下，控制扇区角namic D. Wuhan:Wuhan University，2008.度在 30 以下，控制扇区尽量避开机位主风向。 除6IEC （1999） International standard IEC61400， part 1：了风向段的扇区管理， 也可以实施某风速段的扇safety requirements， 2rd edition.7IEC （2005） International standard IEC61400， part 1：区管理。 推荐应用 Windfarmer 的扇区管理模块，design requirements， 3rd edition.可较好地实现扇区管理发电量的计算3。8GB/T 18709-2002风电场风能资源测量方法S.在大型风电场和复杂山地风电场的设计和运8GB/T 18709-2002Wind Farm Wind Energy Resources行阶段对特殊机位的特殊风况应予以重视， 并合Measurement Method S.理运用扇区管理技术，以确保风电场运行安全。9GB/T 18710-2002风电场风能资源评估方法S.9GB/T 18710-2002. Wind Farm Wind Energy Resources参考文献：Assessment Method S.1 王承凯风场湍流强度的计算及其对风电机组选型的 位 角度/（）流强度/% 强度/%量/MWh 量/MWh损失率/%7#21024518.119.01 5101 3629.808#230250，16.818.71 0941 0424.7532034014#28034017.219.49708898.3518#13516518.516