一种微风区mw级风力发电机风轮大小初选的确定方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种微风区丽级风力发电机风轮大小初选的确定方法，属于风力发 电技术领域。
【背景技术】
[0002] 2009年W来，随着S北地区弃风限电的出现，我国风电产业政策从速度转向质量， 从=北地区转向中东部的低风速地区。而我国中东部的低风速地区风速分布资料匿乏。在 此背景下，远景能源全球首创的1. 5丽低风速风机的研发和投产，加快了我国风电产业战 略调整的步伐，使得占中国风资源60%W上的低风速区域得到有效开发，因所谓的低风速 目前业内尚无明晰的定义，通常用当地气象站年平均风速低于6m/s界定的方法，其风速不 同于风机高70-90m轮穀处风速，而且，对低风速的风场空气密度等无相应数据，各地的风 机制造商盲目相信风轮直径直径越大从微风速中捕获风能越多的观念，不断的增大风轮直 径；2009年W后各地的风机制造商多将单机容量升级为2MW，一方面降低单位±地面积上 的风场基础造价，另一方面，风电场风机之间的布局考虑当地风资源条件、主风向、地质条 件等信息，原则上风机位置布局行距在风轮直径5-9倍为宜，列距在风轮直径3-5倍，因 单机容量由1.5丽升级为2丽，按一致的发电效率计算，风轮直径增加约15. 4%，而一个 50丽的标准风场就可减少8台1. 5丽的风机影响空间，用于加大2丽风机之间的距离，增 加量约37. 6%，风机间空间净增加量约27. 6% -15. 4% = 12. 2%，9倍风轮直径计算的话， 9X(1+12. 2% )= 10. 098,即，可加大风机之间的布局距离达到10倍风轮直径W上，防止风 机之间的扰流而影响风机的使用寿命。因此，目前微风速2MW级风机多在技术相对成熟的 2MW风机基础上进行竞争，形成了目前微风速2MW级风机风轮大小从97m、100m、110m、11Im、 114m等多种风机规格，有利于不同微风速地区的业主根据地区差别定向选择。
[0003] 考虑风机之间的端流影响W及风机基础和道路投资的减小，目前多数业主也倾向 于选用2MW的微风速风机，而且为了风场的统一采购和后期维护成本最低，一般应选择同 一对风轮大小的2MW的微风速风机。风场业主通常认为大风轮吸收功率多，年发电量必然 多，效益可观，但往往忽略了风轮吸收风能与风机转化为上网电能的能力并非同一概念的 问题，W及端流对大风轮风机寿命的损害也大、轮穀和塔筒投入成本大的情况，而且，过大 的风轮的风机反而会造成总收益的大幅下降，因此，如何在风机设计之初，尽快的确定当地 风场的风速分布情况和风机概念设计之初的风轮大小选择，W及当地业主选取适合本地区 最优的微风速风轮大小等，该些问题就凸显出来。
[0004] 目前发现的风轮大小的确定方法大都是基于基本的风机发电功率计算公式，如专 利号为201210277450. 6的专利文件，公开了一种风力发电机组风轮直径的确定方法，该方 法是在已有成熟风机基础上，通过基本公式9=;中各因素间的比例关系，按 〇 风速随高度切变的指数规律预设新设计风机的轮穀中屯、高时的风速、新设计的风机的气动 功率、气动效率初选值与已有成熟风机的相关参数的比例，对风轮直径D进行类比设计选 择，2MW的风机风轮常超过120m，没有考虑风机风轮实际制造水平，也没有考虑风轮增大后 风载加大，风轮悬重加大等一系列的成本急剧升高的问题，也缺乏从用户的投资和收益角 度对所选风机风轮大小进行有效推荐的实用技术手段和可行方案。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是提供一种微风区丽级风力发电机风轮大小初选的确定方法，W 解决现有风力发电机风轮大小确定过程中因无Cp-v关系的拟合计算方法而无法计算相应 的风机上网发电收益的问题。
[0006] 本发明为解决上述技术问题而提供一种微风区MW级风力发电机风轮大小初选的 确定方法，该确定方法包括W下步骤：
[0007] 1)根据风机平均竞标价格计算风场风机总投资成本和风机总数；
[000引 2)根据气象数据估算风资源年有效小时数和年有效风能，利用当前风能平均转化 效率计算年有效发电量产生的效益；
[0009] 3)根据设定时间内回收投资成本的要求计算适合当地风速的最小风轮，该风轮的 大小即为所确定的初选风轮大小。
[0010] 所述步骤2)的具体实现过程如下：
[0011] A)根据当地气象数据和平均海拔，按风速切变指数规律计算该地区设定平均海拔 处的风机轮穀处的年平均风速；
[0012] B)按温度和高度对空气密度的影响计算平均海拔处平均空气密度；
[0013] C)通过风机轮穀处的年平均风速按风速瑞利分布规律估算设定风速区间的风资 源年概率密度和年有效小时数；
[0014] D)根据风机风能理想吸收系数Cp与风速V的拟合计算公式、平均空气密度、年平 均风速和总效率n计算风机风能吸收功率；
[0015]巧根据得到的风机风能吸收功率P计算风机的年平均发电收益。
[0016] 所述风机风能理想吸收系数Cp与风速的对应关系呈瑞利密度分布曲线趋势，所 选Cp最大值为奖距角0°及临界额定风速对应的最佳叶尖速比时的实际常见最大风能利 用系数。
[0017] 所述步骤D)中的总效率n=传动链效率X发电机效率X变流效率X上网效 率。
[0018] 所述步骤A)在计算年平均风速时所选取的风速垂直切变指数为1/7或0.17。
[0019] 所述风机年平均发电收益为风机风能吸收功率乘W总效率n和年风能有效利用 率的积，再乘W上网电价与风机运维费用的差。
[0020] 所述步骤3)中设定时期为5年。
[002U 所述风轮直径的选择在80m到120m之间。
[0022] 本发明的有益效果是：本发明根据风机平均竞标价格计算风场风机总投资成本 和风机总数；根据气象数据估算风资源年有效小时数和年有效风能，利用当前风能平均转 化效率计算年有效发电量产生的效益；根据设定时间内回收投资成本的要求计算适合当地 风速的最小风轮，该风轮的大小即为所确定的初选风轮大小。本发明采用常规气象数据估 算微风速地区70-90米高度有效风速（3m/s-25m/s)的风资源年有效小时数W及年有效风 能，用当前风能平均转化效率计算获得年有效发电量产生的效益，从投资成本回收期的角 度，提出了一种微风区MW级风力发电机风轮大小初选的确定方法，该方法从收益和成本平 衡算法的角度强化了风机设计中风场的针对性、降低了因盲目加大风轮直径造成的风机运 行风险和成本增加，也避免了因风轮过大造成的风机叶尖噪声剧增等技术上的问题，也为 解决因风轮大小不一造成市场上风轮大小规格过多而造成国有资源的巨大浪费的问题，提 供了 一种技术参考手段和方法。
[0023] 同时针对特定风场风速分布情况，采用创新的Cp-v关系的拟合计算手段得到的风 能收益计算方法，从风场业主的角度提出了另一种微风区MW级风力发电机风轮大小初选 的计算方法，供设计人员辅助参考。也为风机设计部口在风机概念设计之初的选型更有针 对性提供设计参考和计算手段，达到缩短因我国微风速风场基础数据不足而造成的风机设 计调研初期耗时过长，也可防止微风速风机设计调研投入的人力、物力等资金过大的问题。
【附图说明】
[0024] 图1-a是本发明实施例中风速与风速概率PR和理想利用系数Cp的关系图；
[0025] 图1-b是本发明实施例中发电量与风速的关系示意图；
[0026]图1-C是本发明实施例中投资回收与理想轮径的关系示意图；
[0027] 图2是本发明实施例中某丽风机Cp瑞利分布拟合示意图；
[0028] 图3是本发明实施例中确定风轮大小的MTLAB流程图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明。
[0030] 本发明采用常规气象数据估算微风速地区70-90米高度有效风速（3m/s-25m/s) 的风资源年有效小时数W及年有效风能，用当前风能平均转化效率计算获得年有效发电量 产生的效益，从5年投资成本回收期的角度，提出了一种微风区MW级风力发电机风轮大小 初选的确定方法，W从技术和收益相平衡的角度为业主招标提供参考，该方法的流程如图3 所示，具体过程如下。
[003U 1.对目前标准的5万千瓦风场中1. 5丽和2丽风机中多用2丽风机进行计算，输 入目前风机平均竞标价格（如；4500元/kW)计算风场风机总投资成本WTinvest和风机总 数N。
[003引 2.通过输入当地气象数据（如；年平均风速、年平均气温）和平均海拔，按风速 切变指数规律选风速垂直切变指数a=1/7计算该地区平均海拔90m处年平均风速， 按温度和高度对空气密度的影响计算平均海拔90m处平均空气密度化ir=(353. 05/ Tave) *exp (-0. 034*狂aveAave))。（对我国中东部地区，冲积平原地貌风速垂直切变指数 曰可取0. 17)
[0033] 经对我国中东部地区微风速风场冬春季节平均空气密度和夏季平均空气密度的 分别计算，考虑夏季风湿度大、密度大、年持续时间短的因素，对我国中东部冲积平原地区 的年平均空气密度可直接选取为P= 1. 2化g/m3。
[0034] 3.通过年平均风速按风速瑞利分布规律估算（3m/s-25m/s)的风资源年概率密度 和年有效小时数t= 8760*(exp(-pi* (3/2/Vave) '2)-exp(-pi* (25/2/Vave) '2))(风速瑞 利分布，一年内3-25m/s累计小时数）。
[0035] 4.风机风能理想吸收系数Cp与风速对应关系也呈瑞利密度分布曲线趋势，如图2 所示，在风速变化的过程中，通过叶片翼型设计和变奖控制策略将风能利用系数Cp保持在 最大值，从而可W最大限度的捕获风能，实现最大功率跟踪控制。选取奖距角0°及最佳叶 尖速比时的最大风能利用系数Cp,贝茨极限0.593,实际一般最大为0.4641，本实施例后续 MATLAB编程示例中按0. 43计算（现有技术水平可达到的最大风能利用系数0. 52-一廖明 夫，R.Gasch。J.Twele，风力发电技术[M].西安；西北工业大学出版社，2009.)。
[0036] 5.对应不同的风轮直径，通过基本公
计算风机风能吸收功率 P，其中，总效率n为包含风机机械效率、发电机效率、上网效率等的总效率，上网电能的总 效率n=传动链效率X发电机效率X变流效率X上网效率=0. 97*0. 97*0. 8*0. 87 = 0.6549。
[0037] 6.按国家发改委规定的标杆上网电价（0. 61/kWh)，扣除风机运维费用约0. 11元/ kWh,W及风机因寻风、启机、停机年等造成的年折损率=(8760-2000)/8760,计算N台风机 年平均发电收益Income。
[003引 7.输入现阶段银行折现利率re,初选re= 10%，计算5年累计收益与总投资的差 (一般风机5年后因更换油品等易造成运维成本激增