[发明专利]一种高海拔地区风力发电机组

说明书

技术领域

本发明涉及风力发电技术，尤其涉及一种能够在高海拔地区稳定工作且具有较高年发电量的风力发电机组。

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，已开发的风电工程项目很少。因此我国适用于非高海拔地区的平原型风力发电机组技术很成熟，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。

同时，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，但是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，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℃)，空气密度为0.848kg/m³，而风力发电机组的功率曲线受空气密度影响很大。

请参阅图1，其为型号是82/1500的平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区工作时的功率曲线对比图。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，其额定风速达到了13.1m/s；而且在额定风速以下，对于相同风速，工作在海拔3000m地区的风力发电机组的功率输出比工作在平原地区的同型号风力发电机组的功率输出降低30％左右。

请参阅图2，其为型号是82/1500的平原型风力发电机组在平原地区和高海拔地区工作时的年发电量对比图。其中，曲线3为型号是82/1500的平原型风力发电机组工作于平原地区的年发电量与年平均风速的关系曲线，曲线4为型号是82/1500的平原型风力发电机组工作于海拔3000m地区的年发电量与年平均风速的关系曲线，由图可知对于年平均风速7.5m/s而言，工作在海拔3000m地区的风力发电机组的年发电量与工作在平原地区的同型号风力发电机组的年发电量相差20％以上。

图3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，dF_n为叶轮所受的轴向推力，dF_t为叶轮所受的旋转切向力，如图3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dF_n也增大。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。

请再次参阅图1，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13.1m/s。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，从而出现灾难性事故。这是因为：目前大部分风力发电机组均为变速变桨型风力发电机组，而对于变桨风力发电机组而言，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将进行变转速工作，从而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使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。当风力发电机组工作在高海拔地区，由于空气密度的减小而导致其输出功率降低，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，因此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，此时的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。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吹倒的灾难性事故。

由于高海拔区域理论可开发容量和工程可开发容量巨大，具有规模化开发的资源条件和环境条件，因此国内迫切需要开发适用于高海拔地区的风力发电机组，尤其是MW级以上的风力发电机组，其能在该海拔地区稳定工作并且年发电量较大。

发明内容