基于美国洛杉矶的风电场设计.docx

基于美国洛杉矶的风电场设计1. 风电场的选址风能的利用形式主要是将大气运动时所具有的动能转化为其他的能源形式高纬度与低 纬度之间的温度差异可形成南北之间的气压梯度，使空气作水平运动而形成风地球自转所 产生的偏向力也是产生风能的主要缘由除以上两方面外，风能在很大程度上受海洋、地形 的影响，时空分布较为简单风能的大小与气流密度通过的面积及气流速度的立方成正比， 其中空气密度、气体速度随地理位置、海拔、地形等因素变化宏观选址是在一个较大的地区内选择风能利用效率较高的小区域，确定工程的拟建规模 及建设地点，可以作为可行性争论的微观选址依据微观选址需要对风力资源、用户需求、地理条件等多种因素进展综合分析，使风电场发电量最大化在本设计中，首先在 NREL.gov 网站上找出美国在不同高度处的大致风速示意图，找出风力资源丰富、适合建立风电场的地方美国 30m、50m、80m、100m 处平均风速分布图如下所示：图 1.1 美国 30m 处平均风速分布图图 1.2 美国 50m 处平均风速分布图图 1.3 美国 80m 处平均风速分布图图 1.4 美国 100m 处平均风速分布图依据以上不同高度处的风速图可知，在美国中心腹地及西南方较适宜建立风电场。

本文选择位于加利福尼亚州的洛杉矶，其50m 处的具体风速大小如下图图 1.5 美国 50m 处具体风速分布图80m 高处年平均风速、风功率密度分别为 9.2m/s 及 697W/㎡，其余不同高度处具体风速见附表在不同年份所测点风向、风能频率图〔风能玫瑰图〕如以下图所示图 1.62023 风能玫瑰图图 1.72023 风能玫瑰图图 1.82023 风能玫瑰图可知选址在洛杉矶，最正确风能频率方向为东北，春季与冬季的风能尤为丰富，且 2023及 2023 年及 2023 冬季〔之后的风能信息网上未公布〕的平均风速都符合预期，属于风能资源丰富区，具有开发价值，可以在此处建立风电场洛杉矶年平均气温为 14℃，年平均空气密度为 1.009kg/m³2. 风力发电机的选型及布局2.1 选型考虑因素1) 风轮输出功率方式风轮输出功率掌握方式分为失速调整和变浆距调整两种两种掌握方式各有利弊，各自 适应不同的运行环境和运行要求从目前市场状况看，承受变浆距调整方式的风电机组居多2) 风电机组的运行方式风电机组的运行方式分为变速运行和恒速运行恒速运行的风电机组的好处是掌握简洁、牢靠性好缺点是由于转速根本恒定，而风速常常变化，因此风力发电机组常常工作在风能 利用系数较低的点上，风能得不到充分利用。

变速运行的风电机组一般承受双馈异步发电机 组或多极永磁同步发电机变速运行方式通过掌握发电机的转速，能使风力机的叶尖比接近 最正确，从而最大限度的利用风能，提高风力发电机组的运行效率3) 发电机类型发电机的类型包括异步发电机、双馈感应型发电机和多极永磁同步电机风力发电机大 多承受一般的异步发电机，正常运行中在发出有功功率的同时，需要从电力系统吸取肯定的 无功功率才能正常运行〔机端的电容补偿只能削减从电力系统吸取无功功率的数量〕双馈 感应型风力发电机的功率因数〔COSφ〕可以在＋0.95～－0.95 之间变化，也就是说可以依据电网的需要发出或者吸取无功功率，改善当地电网的电压质量，提高电力系统的稳定水平承受多极永磁同步发电机的风力发电机组，其发电机室外转子型，转子位于定子的外部， 电机的尺寸和外径相对较小，重量轻，易于运输4) 风力发电机组的传动方式风力发电机的传动方式包括齿轮传动方式与无齿轮箱直驱方式目前，风力发电机大多承受齿轮传动，本钱较低，但是降低了风电转换效率、产生噪音，是造成机械故障的主要缘由，而且为了削减机械磨损需要润滑清洗等定期维护承受无齿轮箱的直驱方式提高了电机的设计本钱的同时有效地提高了系统的效率以及运行牢靠性。

5) 风机运行牢靠性有些风机在运行过程中可能会消灭故障率过高，停机时间过长的状况，从而造成风机修理费用增加，实际发电量削减评价风机运行牢靠性，可以以风机风能利用率的大小为依据， 其表达式为：风机风能利用率= 运行时间+非产品自身故障引起的停机时间× 100%2-1运行时间+累计停机时间6) 输出功率与风速的关系以下图为风力发电机的动力曲线，说明白发电机在不同风速下产生的功率可见, 在风速较低时，输出功率随风速的提高而变大到达肯定值之后, 功率不再随风速的提高而变化因此，风力机组的位置不必刻意选取在风速最高点, 而应当查找风力到达要求且风能特性稳定的地方所以，山顶等风速高但特性不稳定的地形，不是风机安装的抱负位置图 2.1.1 风力发电机动力曲线7) 涡轮系数风力发电机的漩涡系数用以表征两台风机同时运行时对通过的风力产生的旋涡效应，其与风速的关系如以下图所示这个因素的存在使两台风机不能相隔太近的距离，否则会对彼此的正常工作产生不利的影响图 2.1.2 涡轮系数与风速的关系2.2 风力发电机组选型方案2.2.1 对当地风能资源的进一步分析对洛杉矶该观测点四周的风能进展进一步分析以 2023 数据为主，不同季节的风能玫瑰图如以下图所示。

图 2.2.1.12023 不同季节风能玫瑰图春夏秋冬的平均风速分别为 7.5m/s，6.6m/s，8.8m/s，10.6m/s，可知秋冬季节风能资源较丰富，且四季主要盛行东北风及北风，风场主风向和主风能方向全都，且盛行风向较稳定〔具体数据见附表所示〕该风电区域风功率等级为 6 级，风电场 70m 高度 50 年一遇最大风速小于 52.5m/s， 60-70m 高度 15m/s 风速湍流强度小于 0.1，依据国际电工协会 IEC 标准选择该风电场属于IECIII 类风电场洛杉矶位于气候温顺的地中海型气候带，因此不必考虑选用低温型风电机组2.2.2 确定单机容量范围国内外风电场工程的阅历说明，在地形和交通状况适宜、风电机技术可行、价格合理的 条件下，单机容量越大，越有利于充分利用风电场土地，越能充分利用风电场的风力资源， 整个工程的经济性越高然而，在现有的经济和技术条件下，对于一个的风电场，单机 容量选择在某个确定的范围内，工程的经济性会相对较高在进展单机容量选择时，首先应 确定一个适合于本风电点的容量范围，然后在该范围内选择一种技术成熟、市场业绩良好并 且经济性较高的机型依据目前风力发电机组的制造水平、技术成熟程度和价格等因素，结合风电场的风况特征，机组的安装和设备运输条件，针对风电场区地势起伏较大，风电场内交通较差的具体状况，确定选择的单机容量范围为 1500k W～2023k W 且满足 IECⅢC 类及以上等级要求的机组进展比照和分析。

2.2.3 风电机组具体选型结合以上确定的单机容量范围，并结合参考国内外风电机组生产厂家产品的性能，实际运行状况及参考价格，这里初步确定 5 种风电机组型号进展比选，其中 4 种为 1500kW 的机型，一种为单机容量为 2023kW 的机型，具体用 WTG1500A、WTG1500B、WTG1500C、WTG1500D、WTG200 代表，相应技术参数见表 1，功率曲线见以下图此处备选的 5 种风机均为 3 叶片，额定功率 1500kW～2023kW，风轮直径 77～93m，切入风速 3m/s，切出风速22～25m/s，额定风速 10.3～11m/s，安全风速 52.5～59.5m/s，轮毂高度为 65～80m表 2.2.3.1 风电机组性能图 2.2.3.1 各机型功率曲线通过以上对各机组标况下的功率曲线可以看出：当风速在5～11m/s 时，WTG1500D 机组输出额定功率的百分比最大，优势比较明显，因此本文选择 WTG1500D 机组作为所建风电场的风电机组3. 风电场布局及发电量估算3.1 布局考虑因素风电机组把风能转化成电能，风通过风轮后造成的风速下降和产生的尾流，需要经过肯定的距离才能恢复。

抱负条件下，在主导风向优选出风电机组间的最正确距离以削减风电机组相互间的影响，在确定范围的风电场内获得最大的发电量，取得最高的经济效益风力发电机组的布置按充分利用风电场场址区的风能资源，并结合场址区地形及土地利用规划进展布置一般状况下布置风力发电机组时要充分考虑以下几点：( 1) 风力发电机组垂直于主导风能方向排列；( 2) 充分利用风电场的土地；( 3) 尽量减小风力发电机组之间的相互影响、满足风电机组之间行、列距的要求，在主导风向上要求机组间隔(行距) 5～9 倍风轮直径；同一排两风力机间距在风轮直径的3～5 倍； 在多排布机时也可呈梅花型排列，即前后两排相互穿插排列，削减尾流影响，如以下图；图 3.1.1.风电机组布置图( 4) 考虑风电机组之间的相互影响后尽量缩短机组之间的距离，从而削减集电线路的长度3.2 风力发电机组的布置依据争论成果以及以往工程阅历，风机尾流损失一般掌握在 8%以内因此本阶段风机布置方案原则为，在保证尾流损失不超过 8%的条件下，尽量将风机布置在风资源较好的山脊上经过屡次优化计算和技术经济的比较后，本次风机布置承受垂直于主风向距离为 8 倍叶轮直径、平行于主风向距离为 5 倍叶轮直径原则布机。

依据单机容量和机型选择，风电场内 1500k W 机组布置了 18 台风机，2023k W 机组布置了 14 台风机承受风能处理软件 WindFarmer 进展风电机组的优化布置，Wind Farmer 软件利用风谱图自动对风电机组位置的进展屡次优化调整，以得到整个风电场的最大发电量同时计算各个风电机组之间的尾流影响，使尾流影响最低，从而到达风场风资源利用的最大化目的随着优化次数的不断增加，风电场的发电量也在缓慢上升，当发电量增量不明显时做为最终优化次数对所选机型，得到最终布置方案如下表所示表 3.2.1 最终布置方案编号位置〔X〕位置〔Y〕基面高度m编号位置〔X〕位置〔Y〕基面高度m15635684817573119610564022481719911802563674481774611871156384548170341191。