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图3左边是我国80m高度平均风速分布,右边是我国100m高度平均风速分布;绿色表示年平均风速超过6m/s的地区,蓝色表示年平均风速在5-6m/s之间的地区。对比两图可发现,中东部平原在80m高度的年平均风速仅5-6m/s,但在100m高度,由于平原地区风资源的高切变特性,大部分地区的年平均风速均超过了6m/s。(数值模拟风速值与实际会有偏差,需要根据真实数据进行订正。)
图3 全国80m(左)和100m(右)年平均风速
我国处于西风带,中东部平原受山西高原和秦巴山区的阻挡,以及青藏高原的部分影响,其风能资源低于只受大兴安岭阻挡的东北平原,但高于地处青藏高原下游的长江以南地区。
我国江苏、安徽、河南、山东、湖北、河北等低风速区域均有丰富的高切变风资源。如何高效开发利用这类低风速、高切变的风资源,是行业正面临的一大挑战,而高塔正是应对这一挑战的关键技术。
在风切变较大的地区,通过增加塔架高度,风轮被托举到风速更高的区域,从而捕获更多的风能,提高机组发电量。因此使用高塔架技术将是提高风场经济效益的有效解决方案。
二、国内外现状
国外高塔架风力发电机组的技术研究和应用相对较早,从120米至160米的高塔都已有批量商业运行业绩,全球范围内已安装上万台100m以上高塔架风力发电机组。近日在德国斯图加特完成吊装的178米风力发电机组,拥有当前全球最高的风电机组塔架。
图4 全球最高的178m风力发电机组
高塔架风力发电机组在国内的研究起步相对较晚,但始终是行业的热点。各风力发电机组设备厂商对高塔架技术的研究也持续向前,更有一些企业的高塔机组已开始运行。截至目前,国内并网运行的最高轮毂高度为140米,采用全钢柔塔机组,机组位于河南省兰考县。
图5 国内最高的140m全钢柔塔机组(2017年5月29日并网运行)
三、高塔架分类及技术难点
能显著提升风电机组经济效益的高塔技术,绝非仅仅得益于塔架高度的简单提升,而是涉及到机组控制策略、运输、安装、施工等一系列技术问题的整体工程解决方案。因此,在增加塔架高度的同时,还需要一系列核心技术手段来解决塔架增高带来的新挑战。
目前我国高塔架机组主要有全钢柔塔和钢混塔两种技术路线。
(一)全钢柔塔及技术难点
全钢柔塔可通俗解释为:塔架的一阶固有频率与机组风轮旋转频率范围有重合。而对于传统的刚性塔架,这两者没有重合。因此柔性是相对于刚性而言,柔性塔架的材料、工艺、运输、吊装和传统刚性塔架并无实质区别。
由于塔架一阶固有频率和风轮转速频率相交,柔塔需要重点解决的就是在相交点对应转速下产生的塔架共振问题。目前常见的柔塔控制策略是采用动态穿越来应对,如图6所示,当机组运行转速接近共振转速时,共振穿越策略会让机组快速地穿越到其他转速,使机组几乎很难在共振转速附近运行,从而有效避开塔架共振问题。部分厂商还会在共振穿越策略避共振的基础上,酌情考虑采用摆锤或水箱等方式对塔架进行加阻,从而进一步削弱机组的塔架共振现象。
图6 柔塔共振穿越策略
但是风轮的转速一旦主动跳过塔架固有频率附近的区间就意味着其控制目标不再是风能的最优捕获,会带来一定的发电量损失。针对该问题国内厂家开展了大量的研究,通过转速拒止区、拓展低转速运行区间、加强塔架和叶片生产和装配质量控制、采用气动阻尼等方式降低振动影响,减少发电量损失。另外,有的厂家采用了更为新颖的控制策略,在新的控制策略中,动态穿越不再作为一个控制手段,仅仅作为防止塔架振动的多重软硬件保护策略中的一种,很少会被触发,也就意味着几乎不损失发电量。
这种新的控制策略主要通过转子不平衡补偿和主动阻尼注入解决塔架共振问题。
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