风电机组部件损坏与风电场微观选址

    摘　要：风电场微观选址，不仅关系到风电场机组的发电状况，而且，还关系到风电设备的部件损坏与机组寿命。由于我国地域宽广，地形复杂，不少地区缺乏长期的测风资料和气象数据，这给风电场选址带来了一定的困难。在中国风电迅猛发展时期，风电场湍流强度等问题没有引起足够重视，这对机组的部件和寿命极为不利。本文就部件损坏与风电场选址问题进行分析，对因湍流强度过大而造成部件损坏的运行机组与在选址过程中发现湍流强度过大的机位提出了建议。

0  引言
　　风电场选址是风电场建设项目的前期工作，对风电场建设成败及风电场效益起重要作用。风电场微观选址的设计工作涉及场区风能资源的利用、风电机组及集电系统的布局、交通设施、占地规模，以及环境保护目标的实现等诸多方面，对于风电场的建设成本和电量生产、设备设施的安全可靠性和运行维护便利性等都将产生重要而广泛的影响。 
　　风电场的微观选址直接关系到机组部件损坏与机组寿命，在实际运行的风电场中，已有不少风电机组因微观选址不当而造成机组部件损坏，例如：某风电场地处山地，有17 台1.5MW 风电机组， 其中一台的主齿轮箱不到3 年就会损坏，至今已更换两次，而在该风电场同型号安装同一配套厂家齿轮箱的其他机组运行达7 年之久，则少有齿轮箱损坏的现象。通过多个侧面的考察来看，该机组的齿轮箱损坏与微观选址之间有必然的联系。
1. 风电场微观选址与机组安全
1.1 风电场微观选址
　　风电场微观选址是在宏观选址选定的小区域中确定风力发电机组的分布位置，以便使整个风电场具有更好的经济效益的过程。
　　场址选择对风能利用的预期目标能否实现起着关键性的作用。如果场址选择不合理，即使性能优异的风电机组也不能很好地发电，更有甚者，由于选址不正确，很可能导致设备的损坏。因此，如何在风电场内合理地布置风电机组，才能得到最大的发电量，获得最佳的经济效益，一直是微观选址工作的焦点。
1.2 微观选址与湍流强度
　　目前，微观选址软件大都以发电量最大化为原则进行机位的布置，而机组的位置还直接关系到该机位湍流强度的大小。较强的湍流将会造成机组振动，使机组的受力状态恶化, 从而影响到机组的故障几率及部件损坏，关系到将来的维修、维护成本的高低和机组的寿命，因此，风电场微观选址对其未来收益的影响不容忽视。
　　为了最大限度地利用特定风场的风能资源，同时保证风力发电机组的安全可靠运行，IEC61400-1 对风电机组进行了安全分级。轮毂高度处的湍流强度以及极端风况是2005年版IEC61400-1 进行风电机组分类的两个主要参数，其中极端风况主要包括极端风速、极端风切变以及风速、风向的迅速变化等，而机组轮毂高度处50 年一遇3 秒钟极大风速，或者10 分钟最大风速是风电机组极端载荷设计的最重要参数。
　　按照微观选址的湍流大小选定机位，或确定所采用的风电机组的安全等级类型。根据GL 规范， 或IEC 标准，风电机组的湍流强度等级一般有A、B 两种， 新的IEC 版本中也有C 等级的湍流强度等级。
　　在IEC 61400 中将风电场机组的设计等级分为三类IEC Ⅰ、IEC Ⅱ、IEC Ⅲ，如表1。
　　
　　V_ref 表示风电场50 年一遇的10分钟最大风速；A 级为高湍流强度，B 级为中等湍流强度，C 级为低湍流强度；I₁₅ 是风速为15m/s 时计算出来的湍流强度特征值。