专利名称：一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法
技术领域：
本发明涉及风力发电技术，尤其涉及一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的 方法。
背景技术：
风能作为一种清洁能源，在国际上的节能减排中的地位日益重要，而作为风能与 电能的能量转换装置——风力发电机组，在我国的制造业中起到越来越重要的作用。我国目前已开发的风电工程项目，90%以上集中在非高海拔地区，而作为风资源 相对较好的西部高海拔地区，如青海、西藏、云南等区域，目前尚未实现装机或只有少数装 机，因而已开发的风电工程项目很少。也就是说，目前我国适用于非高海拔地区的平原型风 力发电机组的技术很成熟，而适用于高海拔地区的风力发电机组则较少，尤其是MW级以上 的高海拔风力发电机组还处于空白状态。而且，在已开发的高海拔地区风电工程项目中使用的均是平原型风力发电机组， 由于高海拔地区的环境条件与平原地区有较大差别，例如气温较低、空气密度较小等，因此 如果直接应用平原型风力发电机组会存在许多问题。例如，由于随着海拔高度的增加，空气 密度随之减小，当海拔高度为3000m时(平均气温15°C )，空气密度为0. 848kg/m3，而机组 的功率曲线受空气密度影响很大。请一并参考图1、图2和图3，图1为型号是82/1500的 平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区的功率曲线对比图，其中，型号82/1500是 指风力发电机的叶轮直径为82m，额定功功率为1500KW(本文中其他型号的含义均与此相 似)，曲线1为平原地区的功率曲线，曲线2为海拔3000m时的功率曲线。如图1所示，当该 平原型风力发电机组工作于高海拔地区时，其额定风速由工作于标准空气密度下的10. 3m/ s增加到了 13. lm/s。图2为叶片受力分析示意图，其中，V为风速，U为叶轮线速度，α为 攻角，dFn为叶轮所受的轴向推力，dFt为叶轮所受的旋转切向力。如图2所示，当叶轮转速 不变，风速增大时，攻角α随之增大，叶轮所受推力增大。对于叶片而言，当攻角α 较大时，气流与叶片发生分离，叶片的升阻比在达到最大值后会迅速减小，叶轮气动功率随 着风速的增加而不再增加反而降低，此刻叶片处于失速状态。因此，额定风速的增加将增大 叶轮所受的轴向推力，而增加到一定程度便可能使叶片进入失速状态。图3为型号是82/1500的平原型风力发电机工作于高海拔地区(大于3000m)时 的功率曲线图。如图3所示，当海拔继续升高，空气密度继续降低时，该平原型风力发电机 组会因叶片攻角持续增大而无法达到额定功率并进入失速状态，从而导致出现风力发电机 组被吹倒的灾难性事故。这是因为目前大部分风力发电机组均为变速变桨型机组。对于 变速变桨机组而言，失速状态是风力发电机组的非稳定工作状态。因为风力发电机组在额 定风速以下是变转速工作，以使风力发电机组的功率系数达到最优；在额定风速以上则通 过改变叶片的桨距角以使风力发电机组的功率保持在额定功率并减小风力发电机组的推 力载荷，也就是说，在风力发电机组未达到额定功率时，叶片的桨距角不会改变。当风力发 电机组在高海拔地区工作时，风力发电机组由于空气密度的减小而导致输出功率降低，而且风力发电机组的叶轮有可能在叶片失速前无法达到额定功率，此时叶片的桨距角不会主 动改变。随着风速的继续增加，叶片进入深度失速状态，此时，由于变桨控制系统无法根据 叶轮的气动功率判断叶片的桨距角，导致风力发电机组无法正常工作。另外，风力发电机组 推力载荷随风速的增加而持续增大，容易导致风力发电机组被大风吹倒的灾难性事故。由此可知，直接将平原型风力发电机应用到高海拔区域存在许多问题，面对国内 乃至世界上高海拔区域理论可开发容量和工程可开发容量巨大、且具有规模化开发的资 源条件和环境条件的现实情况，迫切需要开发出能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机 组，而且是丽级以上的风力发电机组。
发明内容
本发明的目的就是针对在高海拔地区直接采用平原型风力发电机组时存在的上 述问题，提供一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，通过改变现有平原型风力 发电组的叶轮系统，使采用新叶轮系统的风力发电机组能够在高海拔地区稳定工作，该方 法可将平原型风力发电机组应用于高海拔地区，并避免其进入深度失速状态而导致灾难性事故。为此，本发明提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下 述步骤1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区 等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；2) 根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳 定工作的风力发电机组。其中，在所述步骤幻中，根据所述额定风速，增大所述平原型风力发电机组的叶 轮系统的额定转速，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，所述额定转速的 具体数值可通过实验获得。其中，在所述步骤2、中，在保持所述平原型风力发电机组叶轮系统额定转速不变 的前提下，根据所述额定风速，在所述平原型风力发电机组上采用高叶尖速比的叶轮，以获 得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。优选地，所述叶尖速比大于或等于9。其中，在所述步骤幻中，根据所述额定风速，同时增大所述平原型风力发电机组 的叶轮系统的额定转速和叶轮的叶尖速比，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电 机组。所述额定转速可通过实验获得。其中，在所述步骤幻中，根据所述额定风速，将低额定功率的所述平原型风力发 电机上的叶轮系统改为高额定功率的叶轮系统，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力 发电机组。例如，在额定功率为1. 5丽的平原型风力发电机组上采用额定功率为2丽的风 力发电机组的叶轮系统。相对于现有技术，本发明具有如下有益效果采用本发明提供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，只需要在平原型 风力发电机组上采用增大叶轮额定转速和/或采用高叶尖速比的叶轮的方法，就可提高风 力发电机组在过渡风速阶段的出力性能，并且可相应地降低额定风速，从而可以基于平原 型风力发电机组快速获得能够在高海拔地区的稳定工作的高海拔地区风力发电机组，进而 提高了设计和生产的效率，并节省了人力及物力成本。也就是说，采用本发明提供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，对平原型风力发电机组进行简单高效地设计、改装， 就可以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，从而可在较低的成本下研发出适 用于高海拔地区的风力发电机组。
图1为型号是82/1500的平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区的功率曲 线对比图；图2为叶片受力分析示意图；图3为型号是82/1500的平原型风力发电机工作于高海拔地区(大于3000m)时 的功率曲线图；图4为某种叶片的功率系数与叶尖速比的关系曲线图；图5为不同转速下的风力发电机组的功率系数与风速关系曲线图；图6为不同转速下风力发电机组功率与风速的关系曲线图；以及图7为不同叶轮直径风力发电机组的功率与风速关系曲线图。
具体实施例方式为使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明提 供的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法进行详细说明，其中，本发明所述高海拔 地区是指海拔2000m以上的地区，以下实施例以海拔3000m为例。本发明第一实施例提供的技术方案为提高叶轮系统的额定转速。如表1所示，海拔高度/空气密度对风能密度有较大影响。由于空气密度影响风 能密度，当空气密度降低时，风能密度也降低，而风能密度直接影响风力发电机组的输出功 率。如果平原型风力发电机组要在高海拔地区达到其额定功率，在其它条件不变的情况下， 其额定风速必然增大。然而，当额定风速增大时，风力发电机组又存在由于叶片攻角持续增 大而无法达到额定功率并进入失速状态，从而导致风力发电机组被吹倒的灾难性事故的问 题。表1海拔高度/空气密度对风能的影响(气温15°C )
权利要求
1.一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其通过改变现有平原型风力发 电机组的叶轮系统而获得可在高海拔地区稳定工作的高海拔地区风力发电机组，其特征在 于，所述方法包括下述步骤1)根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级 的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；2)根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔 地区稳定工作的风力发电机组。
2.如权利要求1所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在 所述步骤幻中，根据所述额定风速，增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定转 速，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。
3.如权利要求1所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在 所述步骤2、中，在保持所述平原型风力发电机组叶轮系统额定转速不变的前提下，根据所 述额定风速，在所述平原型风力发电机组上采用高叶尖速比的叶轮，以获得能够在高海拔 地区稳定工作的风力发电机组。
4.如权利要求3所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，所 述叶尖速比大于或等于9。
5.如权利要求1所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在 所述步骤2、中，根据所述额定风速，同时增大所述平原型风力发电机组的叶轮系统的额定 转速和叶轮的叶尖速比，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。
6.如权利要求1所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在 所述步骤2、中，根据所述额定风速，将低额定功率的所述平原型风力发电机上的叶轮系统 改为高额定功率的叶轮系统，以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。
7.如权利要求6所述的提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其特征在于，在 额定功率为1. 5MW的平原型风力发电机组上采用额定功率为2MW的风力发电机组的叶轮系 统。
全文摘要
本发明提供了一种提高高海拔地区风力发电机组稳定性的方法，其包括下述步骤根据该高海拔地区所处的风区等级和年平均空气密度，确定当直接将相同风区等级的平原型风力发电机组应用到该高海拔地区时该平原型风力发电机组的额定风速；根据所述额定风速，改变所述平原型风力发电机组的叶轮系统而获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组。采用该方法可对平原型风力发电机组进行简单高效地设计、改装，就可以获得能够在高海拔地区稳定工作的风力发电机组，从而可在较低的成本下研发出适用于高海拔地区的风力发电机组。
文档编号F03D7/00GK102116257SQ20101062471
公开日2011年7月6日 申请日期2010年12月29日 优先权日2010年12月29日
发明者孟庆顺, 崔新维, 王斌, 王晓东 申请人:新疆金风科技股份有限公司