风机选择的系统动力学评价

78能源技术与管理2008年第6期风机选择的系统动力学评价赵飞·卫雅琦2赵健3(1中国京冶工程技术有限公司投赉管理部,北京10088:2中国矿业大学(北京),北京100083;3.中国人民解放军防化指挥工程学院,北京102205)[摘要]风机是风力发电机组的重要组成部分,其性能的发挥直接影响到风场资源的利用和风能利用效率的高低。以风场风力资源状况为基础,剖析了影响风机工作的各个因素,并建立了风机选择的系统动力模型。利用 Vensim Ple(5.5b)软件进行仿真模拟,验证了模型的正确性,最后以德国 Nordex公司、德国 Repower公司和金风科技公司生产的几种风机为例,对风机机型选择进行了实证分析。[关键词]系统动力学;风机;评价;可再生能源[中图分类号]TK89[文献标识码]A[文章编号]167294320080600784030引言是风机所适用的风场状况,简称为风场系统,包括风能资源、风速地形海拔高度和大气压状况;另在风力发电中,风机是风力发电中最重要的一部分是风机自身的特征、特性,简称为风机系设备,对风能的利用和风电项日经济效益有直接统,包括风轮材料、风轮长度、风机角速度、风机转影响;又由于风的特性是随机的,风向、风速大小速等。模型分析的重点是在风能资源利用充分、风都是随机在变化,风机需具有变速运行、功率调节能利用系数最大的情况下,选择合适的现有风机等功能,因此针对不同的风力电场选择合适的风机型(在此不考虑风机发电的经济性)。机设备成为风力发电项目中的重要一环。22模型构建1在风机选择方面应用系统动力学分析22.1风场系统的可行性及流程风速随高度变化而变化,地面粗糙度越大,这种变化就越大,风速大小随高度增大而非线性增1.1应用系统动力学分析的可行性加。高度h处的风速与高度h处的风速关系为在风机选择评价中,所涉及的各因素不仅繁V(h)=V(wh)a多,而且部分因素之间互相影响。风机选择所涉及式中,V(h)为高度h处风速,m;V为高度到的各因素之间的关系适宜用系统动力学的方法h处风速,m;n为经验指数,由大气稳定度和地进行描述和分析,剖析风机运行影响因素之间的面粗糙度决定范围在1/2~18之间,一般取1/7相互作用关系,并在此基础上建立系统动力学模在特定的地理环境下,同一风场的大气压、大型,进行模拟分析。气密度随海拔高度的增加而减小,此种因素关系1.2风机选择的系统动力学建模流程可利用系统动力学中的表函数加以表述;而影响首先,收集风机、风场等基础资料,并对风机、空气动能的主要因素是风速和大气密度,随着高风场进行系统分析,确定系统动力学的模拟边界;度的上升,风速增大,大气密度减小,空气动能与然后构建风机、风场的系统动力学模型,设定模拟风速之间成非线形关系。参数进行模型模拟,并根据实际情况检验模拟结2.2.,2风机系统果和修正模型;最后根据确定的模型进行实证分析提出决策建议。机V凵中出煤化工为例,不的风2模型构建轮叶CNMHG利用系数曲线不同所以叶片数目应根据风力机的用途来确定,21系统边界的界定要得到较大输出转矩的风力机,就需要较多的叶本文研究所涉及的对象分为两部分:一部分片数。同时由于受叶片构成材料、变速齿轮箱技术2008年第6期赵飞,等风机选择的系统动力学评价的限制,在风机设计过程中要尽可能提高风轮的(1)初始风速根据某风电场测定的10m高转速减少叶片宽度、叶片数。从上述两方面分析处风力速度设定如表1所示大气密度为12kgm,来看,要合理选择叶片数目、叶片尺寸,使叶片的分析期为1a,风机叶片数目为3(根据现有风机几何形式和转速达到均衡状态。机型设定)23模型参数的设定表1某风电场10m高处月平均风力速度测定风速6845785,253.563.883.707.35819744757(2)风机风轮半径、风机额定功率根据不同风机机型出厂时的参数分别加以确定;(3)测定风场有效风速3-25m范围内有效风速小时数,用表函数形式给出(月份,有效风速小时数):(1,720),(2,659),(3,654),(4,646),0123456789l0I1213(5,616),(6,472),(7,497),(8,156),(9,404)(10,742),(11,691),(12,607);年有效风速小时图4风能利用系数(Cp)和叶尖速度比(λ)关系数累计为6954h由图1可见,根据该系统动力学模型所得到3模型分析的风场50m高处月平均风速与实际测算的数据相符,与风场风力风速在年内的变化规律相一致;3.1模型验证图2和图3中的S70风机风能利用系数、风机叶选用德国 nordex公司的S70风力机为验证尖速比与生产厂家对该产品测定数据误差较小,对象,该风机的额定功率为1500kW,设计额定且都在理论计算数据的范围内;图4较好拟合了风速为13ms,转子直径为70m,设计转速为德国 Nordex公司S70s77风能利用系数图148r/min,三叶片,叶片长为34m。模拟结果如图在此,S70风机输出功率较低的原因是该风1-4所示。机设计额定风速为13m/s,而广东惠来石碑山风电场一年内50m高处的最大风速为103m,未达到额定风速值。模拟结果表明,该模型与实际相符,为风机选择的系统动力学评价提供了模拟基础。234568910ltl232实证研究时间月321研究前提的设定图150m高处月平均风速以上述模型验证所采用某风电场的数据为分析基础,选取德国 nordex公司、金风科技和德国Repower公司的几种风机机型进行模拟对比,以期找出适合风场风能资源开发的风机机型。三个公司风机型号和性能如表2所示。时间月表2各风机型号和性能参照表图2S70风机风能利用系数生产厂商德国Nnex金风科技德囚 RepowerN9O2300S43-600S48-750MD70MM7额定叶轮直叶片H中国煤化工15002000CNMHG2345678910ll12转速范围rmin)13317.8-268223106-1910-20图3S70风机叶尖速度比3.22模拟结果能源技术与管理2008年第6期模拟结果如图5~7所示。(2)风能利用系数分析。由于风能利用系数MM70N90-2300Cp的极大值为0.593,是衡量风场风能有没有高效利用的量,因此风场选择所装配风机时也应该考虑该系数。从模拟结果看,MM70的风能利用系数最大,S43-600次之,N902300最低。从此因素看,应该选择MM70型号的风机(3)综合分析评价。由于风机从单机容量为234569101112时间/月025MW到25MW的各种机型中,单位千瓦造价图5各型号风机输出功率随单机容量的变化量呈U形变化趋势,目前600kW风机的单位千瓦造价正处在U形曲线的MM70···N90-2300区士M7548-750最低点。根据各机组千瓦造价统计的统计值,可计3600十算出单位投资可发电量如表3所示。表3单位投资可发电量年累计风机额风机单位单位投资机型型号发电量定功率造价/可发电量/5678910l12(元/kW)(kWh元)时间月388200图6各型号风机累积年提取风能图N9o23004439300230S43-6001158080600044915004M7N020543460MD70289519015006800s48-75014476000429由表3可以看出,单位投资可发电量由高到低排序为S43-60>S48-750>MD70>MM70>N902300。根据费用效果分析的方法,应选择12345678901112S43-600机型能够保证投入产出的效率最大,并时间月使得风能利用系数达到较为满意水平,该理论评图7各型号风机风能利用系数3.23模拟结果分析价结果与某投资项目实际风机选择情况相符。(1)风机输出功率和年累计提取风能分析。4结论德国 Nordex公司的N2300风机输出功率最大,其主要原因是风机输出功率受额定功率和风从上述风机系统动力学模型的模拟结果看能利用系数的影响;由风机型号和性能参照表可该模型较好的拟合了风机运行、风场风能开发的知N902300的额定功率最大,且风能利用系数实际;并能够根据给定风场的实际风力资源状况变化趋势相同。从年累计提取风能看,其由大到小综合风能利用系数、风机利用和风能资源提取等的排列顺序是N92300>MM70>MD70>S48因素,为风机应用评价提供理论参考依据。750>S43-600,这是因为风机输出功率和风机运[参考文献行时间的乘积决定了年累计提取风能,且风机运[1]刘万琨张志英李银风,等风能与风力发电技术M行时间是由风机能够正常运行时的风速出现时间北京:化学工业出版社,2007决定。在模型中上述风机的启动风速都设定为[作者简介]3m/s,从而风机能够正常运行时的风速出现时间赵飞(1981-),男,硕士,毕业于中国矿业大学(北京)具有一致性,最终使得年累计提取风能与风机输技术经济及管理专业现工作于中国京冶工程技术有限公出功率具有相同的排列顺序。在此以风机提取风司YH中国煤化工目评价与评估。能最大为标准,某风电场应选择额定功率大的风CNMHG日期:2008-05-31]机,即 Nordex公司的N902300风机