高海拔風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)探討

吳樹(shù)梁，于良峰，何金海

（濟(jì)南軌道交通裝備有限責(zé)任公司，濟(jì)南 250022）

0 引言

高海拔地區(qū)，一般指海拔超過(guò)2000m的地區(qū)。中國(guó)高海拔地區(qū)主要分布在西部青藏高原、云貴高原西北部山地、天山山地、青藏高原和黃土高原間的過(guò)渡山地，占新疆、青海、西藏、云南、寧夏、甘肅、陜西、四川及貴州九省區(qū)總面積的50% 以上[1]。但高原地區(qū)空氣密度較小， 所以風(fēng)功率密度較小 ，在4000m高空的空氣密度大致為地面的67%，如青藏高原北部風(fēng)功率密度在150 W/m2~200W/m2之間[2]。

1 高原氣候特點(diǎn)

高原具有惡劣的自然環(huán)境條件，對(duì)機(jī)組的設(shè)計(jì)和運(yùn)行影響較大，氣候主要特點(diǎn)包括：空氣密度低、濕度大、氣壓低、溫差大、雷暴頻繁、日照時(shí)間長(zhǎng)、紫外線(xiàn)輻射較高等?？紤]到不同海拔高度具有不同的環(huán)境條件參數(shù)，高原型風(fēng)電機(jī)組分為G2、G3、G4、GS等級(jí)，如表1所示。

2 高原型機(jī)組設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 葉片選型

葉片捕獲的風(fēng)能與葉輪直徑、葉型結(jié)構(gòu)、空氣密度密切相關(guān)。

風(fēng)輪吸收的風(fēng)能一般用下列公式（1）[3]表示：

式中：P—風(fēng)輪吸收功率

ρ—空氣密度，標(biāo)準(zhǔn)密度：1.225kg/m3

V—風(fēng)速；

A—風(fēng)輪面積，1/4ΠD2（D為風(fēng)輪直徑）

風(fēng)電機(jī)組吸收風(fēng)能P與空氣密度ρ成正比，發(fā)電量存在損失，功率曲線(xiàn)需要進(jìn)行調(diào)整。高原空氣密度大都在0.8 kg/m3~1.0kg/m3之間，比海平面密度低30%左右，機(jī)組額定風(fēng)速往往較大，機(jī)組發(fā)電量受影響，且機(jī)組在風(fēng)速大的情況下容易產(chǎn)生失速，不利于機(jī)組出力。因此，在高海拔空氣密度較低的風(fēng)電場(chǎng)，可通過(guò)適當(dāng)增加風(fēng)輪直徑，增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，從而提高機(jī)組發(fā)電量。

表1 不同等級(jí)高原型風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)

2.2 機(jī)械部分

高原型風(fēng)電機(jī)組最大風(fēng)速、極大風(fēng)速明顯增大，會(huì)使機(jī)組本身安全產(chǎn)生問(wèn)題，需進(jìn)行特定廠址機(jī)組載荷計(jì)算，重新復(fù)核整機(jī)及部件頻率、強(qiáng)度等性能。

2.2.1載荷計(jì)算

高原環(huán)境條件下的空氣密度對(duì)功率曲線(xiàn)的影響應(yīng)在載荷計(jì)算中優(yōu)化，載荷仿真計(jì)算時(shí)使用根據(jù)高原環(huán)境條件下空氣密度修訂過(guò)的運(yùn)行控制算法。該算法應(yīng)與確定的環(huán)境條件相對(duì)應(yīng)。

2.2.2非金屬材料

復(fù)合材料部件、橡膠、彈性部件等在高海拔環(huán)境條件下機(jī)械性能可能發(fā)生改變，從而影響到這些部件的剛度、彈性力以及阻尼等。如果這些影響涉及到機(jī)組傳動(dòng)鏈的性能，如傳動(dòng)鏈阻尼、機(jī)械剎車(chē)性能等，應(yīng)當(dāng)在確定部件載荷時(shí)考慮。

2.2.3抗低溫設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組的零部件受低溫的影響是不同的。風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱、主軸等部件承受沖擊載荷，可能會(huì)發(fā)生低溫的脆性斷裂。針對(duì)此種情況，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒ā⒈砻胬渥饔不に嚭吞岣卟牧霞傲慵砻娴募庸べ|(zhì)量等措施，提高部件的抗頻繁沖擊能力。同時(shí)，還要避免機(jī)組在大風(fēng)速以及低溫下的頻繁投切啟動(dòng)、緊急制動(dòng)等可能會(huì)產(chǎn)生較大沖擊載荷的操作。發(fā)電機(jī)底架和塔筒等大型焊接部件，在高寒環(huán)境溫度下存在低溫疲勞問(wèn)題，需強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高焊縫疲勞壽命。輪轂、主軸、主軸承、螺栓連接和聯(lián)軸器等部件也應(yīng)適當(dāng)提高設(shè)計(jì)裕度，從而適應(yīng)低溫環(huán)境要求。

2.2.4防腐要求

海拔高、空氣稀薄使高原地區(qū)太陽(yáng)輻射增強(qiáng)，高原型機(jī)組機(jī)械結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加強(qiáng)防腐措施。外露部件（如葉片、塔架、機(jī)艙罩和導(dǎo)流罩）的抗腐蝕和紫外線(xiàn)老化性能應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)輻射強(qiáng)度應(yīng)根據(jù)表1中給出的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度確定。

2.3 電氣部分

2.3.1 提高絕緣等級(jí)

隨著海拔的升高，空氣密度逐漸降低，外絕緣強(qiáng)度隨之減弱。在海拔5000m范圍之內(nèi)，每升高1000m，外絕緣強(qiáng)度降低12%，空氣密度降低10%[4]。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)變頻器柜、控制柜、變壓器和發(fā)電機(jī)等電氣部件均按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，采用特殊工藝設(shè)計(jì)以提高其電氣間隙和爬電距離，從而增強(qiáng)電氣絕緣；同時(shí)，加強(qiáng)電氣部件的密封，增加加熱設(shè)備或增大加熱器功率，修改控制策略，以保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行和啟動(dòng)時(shí)的絕緣要求。

假設(shè)風(fēng)電機(jī)組的額定電壓為690V，在不同高度的海拔地區(qū)使用時(shí)，其電氣間隙、工頻耐壓、沖擊耐壓值應(yīng)能滿(mǎn)足表2的要求。

（1）絕緣介電強(qiáng)度

按絕緣配合等相關(guān)要求，結(jié)合產(chǎn)品的絕緣方式，并考慮產(chǎn)品使用海拔的修正系數(shù)（見(jiàn)表2、表3），確定絕緣介質(zhì)最低承受的介電強(qiáng)度。

（2）電氣間隙

以空氣為絕緣的產(chǎn)品，其電氣間隙修正系數(shù)值推薦選用表2參數(shù)。

（3）電暈及局部放電

應(yīng)符合常規(guī)相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，保證風(fēng)電機(jī)組能夠安全可靠地運(yùn)行。

（4）工頻耐受電壓和雷電耐受電壓

在高原環(huán)境條件下，應(yīng)符合常規(guī)相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證產(chǎn)品在高原地區(qū)使用時(shí)有足夠的工頻耐壓能力和雷電沖擊能力。在產(chǎn)品使用與試驗(yàn)海拔不同時(shí)，試驗(yàn)的海拔修正系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足表4的要求。

表2 絕緣要求

表3 電氣間隙修正系數(shù)表

2.3.2 機(jī)組防雷

高原地區(qū)雷暴頻繁，對(duì)機(jī)組的防雷性能要求較高。可采取以下有效措施：在機(jī)艙罩內(nèi)布置整體銅網(wǎng)，形成等電位防雷系統(tǒng)，有效地保護(hù)機(jī)艙內(nèi)電氣元器件；在葉片的尖部和中間設(shè)有兩處接閃點(diǎn)，使得葉片接閃的范圍增大，有效地避免對(duì)葉片的破壞；不同等級(jí)的防雷區(qū)之間的電源和信號(hào)連接都經(jīng)過(guò)防浪涌模塊，并且防浪涌模塊的狀態(tài)在監(jiān)控室可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.4 散熱、冷卻

在高原環(huán)境條件下，溫升限值不應(yīng)超過(guò)常規(guī)型相應(yīng)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值?？諝饷芏冉档鸵鹄鋮s效應(yīng)降低，對(duì)于自然對(duì)流、強(qiáng)迫通風(fēng)為主散熱方式下的元器件，由于散熱能力下降，導(dǎo)致溫升增加，元器件種類(lèi)不同，溫升增加值也有很大變化。在海拔5000m范圍內(nèi)，每升高1000m，溫升增加3%~10%。 隨著海拔的升高，平均空氣溫度和最高空氣溫度逐漸下降，海拔環(huán)境空氣溫度的降低可以部分或全部補(bǔ)償因空氣密度降低引起的溫升的增加，環(huán)境溫度的補(bǔ)償為5K/km。

另外，由于空氣密度和氣壓的降低，散熱所需要的冷卻流量發(fā)生了改變?？諝饷芏认陆担浔葻崛菀步档?，則需要相應(yīng)增加散熱通風(fēng)的流量。因此，在機(jī)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上需提升通風(fēng)流量。

2.5 高濕地區(qū)防潮

（1）控制柜體的除濕：利用水冷系統(tǒng)、空氣循環(huán)系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)，根據(jù)空氣的含濕特性，建立程序控制立體循環(huán)除濕系統(tǒng)。

（2）局部增加除濕機(jī)進(jìn)行除濕，除濕機(jī)將空氣中的氣態(tài)水吸入內(nèi)部冷卻形成液態(tài)水，通過(guò)排水管直接排出柜體外部，降低絕對(duì)溫度。

（3）重點(diǎn)部位設(shè)置熱風(fēng)機(jī)，采取直接加熱烘干措施。

2.6 防凝凍技術(shù)

高原地區(qū)晝夜溫差大，易引起凝露。風(fēng)電機(jī)組內(nèi)控制柜均經(jīng)過(guò)防凝露設(shè)計(jì)（增設(shè)加熱板和溫濕度控制器）。同時(shí)還注意到，由于意外停電可能導(dǎo)致的溫濕度控制器因無(wú)電力供應(yīng)不能防止結(jié)露，以及塔筒其它部分結(jié)露形成的水滴進(jìn)入柜內(nèi)等。具體辦法如下： 提高控制柜的密封性能；柜頂裝設(shè)防雨板或其它防止滴水進(jìn)柜的措施；濕度控制器根據(jù)濕度情況自動(dòng)工作；控制柜增設(shè)強(qiáng)力通風(fēng)裝置。

2.7 低氣壓環(huán)境

大氣壓力的降低將使空氣間隙和產(chǎn)品絕緣材料的電氣耐壓強(qiáng)度明顯下降。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，電氣設(shè)備工作于海拔2000m以上時(shí)，電氣間隙應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)電氣間隙乘以海拔4000m以?xún)?nèi)的電氣間隙的倍增系數(shù)。該系數(shù)不適用于爬電距離，但爬電距離始終應(yīng)至少等于電氣間隙的規(guī)定值。

表4 工頻耐壓和雷電沖擊耐壓修正系數(shù)Ka值

2.8 其他注意事項(xiàng)

（1） 防風(fēng)沙設(shè)計(jì)。如發(fā)電機(jī)采用獨(dú)立的散熱通風(fēng)通道，可有效減少機(jī)艙與外界的空氣交流，防止外界風(fēng)沙進(jìn)入機(jī)艙。

（2）提高風(fēng)電機(jī)組內(nèi)變頻器和發(fā)電機(jī)的容量溫度，保證在高海拔、低空氣密度下風(fēng)電機(jī)組的滿(mǎn)功率運(yùn)行。

（3）采用全金屬的超聲波風(fēng)速、風(fēng)向儀，配備均勻的加熱裝置，可有效解決低溫問(wèn)題，提升機(jī)組可靠性，延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組有效利用小時(shí)數(shù)，增加發(fā)電量。

3 總結(jié)

綜合國(guó)內(nèi)風(fēng)能資源情況，結(jié)合現(xiàn)有風(fēng)電技術(shù)的發(fā)展，估算西部高海拔地區(qū)可開(kāi)發(fā)利用的風(fēng)能資源裝機(jī)規(guī)模可達(dá)47.30 GW，目前已規(guī)劃的裝機(jī)容量為9.35 GW，可見(jiàn)風(fēng)能儲(chǔ)量相當(dāng)豐富。本文闡述了高原地區(qū)風(fēng)場(chǎng)的氣候特點(diǎn)、高原型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)及相關(guān)解決方案，充分了解和掌握高原機(jī)型的設(shè)計(jì)要點(diǎn)可增強(qiáng)機(jī)組捕風(fēng)能力，提高機(jī)組運(yùn)行可靠性，對(duì)發(fā)展高海拔地區(qū)清潔能源產(chǎn)業(yè)有重要意義。

表5 電氣間隙培增系數(shù)[5]

[1] 朱瑞兆. 中國(guó)太陽(yáng)能風(fēng)能資源及其利用[M]. 北京: 氣象出版社, 1988.

[2]宮靖遠(yuǎn). 風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004

[3] 武鑫,譯.Burton T,Sharpe D,Jenkins N,et al.風(fēng)能技術(shù)[M]. 北京: 科學(xué)出版社,2007.

[4] 唐延福. 高海拔地區(qū)對(duì)電氣設(shè)備的影響[J].電氣工程應(yīng)用,2002,(1): 36-38.

[5] GB/T16935.1 低壓系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的絕緣配合第1部分：原理、要求和試驗(yàn)[S]. 2008.