李家川1郭辰2邵振州3马宏怡4刘孟军5王军6王健壮7米磊8董显奕9
123（中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司）
45（华能山东发电有限公司牟平风电分公司）
67（华能烟台风力发电有限公司海阳风电场）
89（华能忻州新能源发电有限公司）
摘要：通过对风电机组叶片的技术改造能够有效提升风机发电量。文章通过Bladed仿真软件对风电机组的运行开展模拟分析，通过模拟分析把握叶片改造成本和风电机组运行的经济效益，充分论证风电机组叶片加长改造的可行性。
关键词：风电机组；叶片；加长改造；可行性；经济性
叶片是风电机组的重要零部件，叶片的加入能够有效提升风电机组的风能，为风电机组运行捕捉更多的能量。从实际应用来看，不同风电场会根据各自的风能资源情况来装备对应长度叶片的风电机组。在风电机组运行过程中，如果实际风速小于预期风速，就会对风电场运营造成比较大的损失。为了确保风电机组的稳定运行，需要研究出一种科学有效的风电机组叶片加长改造方案，通过加长叶片来弥补以往风电场实际风速低于预期风速的情况。
一、风电机组叶片加长的建模
考虑到风电机组发电功率和风轮扫风面积呈现出一种正比的关系，如果在叶片两边或者中间增加延长节，就能够直接增加叶片的长度，增大风轮的扫风面积，从而提升不同风速下风机的发电功率。常规意义上的叶片加长方式有三种，分别是叶尖加长、中间加长、叶根加长。经过实验研究证明，风机叶片加长是一种操作可行、安全可靠的提升风机发电量的方法。
在加长风机叶片的过程中，可以通过Bladed仿真实验来验证工程应用的可行性，Bladed仿真软件能够全面分析模型中风电机组的叶片载荷、输入功率、各个零部件的工作情况。在仿真实验中选择叶轮直径为77m的变桨距风电机组作为样本，通过Bladed仿真软件获得风电机组额定功率下的有效风速。假设某地区10m高度处的平均风速为5.8m/s，在65m高度处的平均风速约为11.25m/s，在叶片振动之后，桨距角变化功率被输入，将输入的数据作为模型建立的一个重要基准，选择叶轮直径为83m的风电机组开展仿真实验分析，借助Bladed仿真软件来控制叶片振动的频率。
二、风电机组仿真基准模型的建立
（一）风况仿真模型的建立
在建立风电机组仿真模型之前，需要对实验风电场的运行情况进行了解。在风速处于正态分布模式的情况下，通过威布尔函数拟合形成风速线性分布图。在整个建模过程中，可以根据所选择的风况信息来确定函数特征，增强风速关系描述的真实性和准确性。风况仿真模型计算公式如（1）所示。
P（x）=k/c（x/c）k-1exp[-（x/c）k] （1）
模型中c和k是威布尔概率密度函数的两个特征参数，形状参数k通过资料的查找和计算得出，参数信息对整个曲线分布有着十分重要的影响。尺度参数c代表一种平均风速。该公式的意义是在平均风速已经确定的情况下，风速对应的时常百分比参照模式。风速威布尔分布模型如图1所示，图1的信息表明风电场采用的是威布尔分布参数平均风速c为5.8、形状参数k为2.0的风速模型。在对一系列的参数进行综合对比分析后，保证风速能够满足整个风电场的安全运行要求，具有重要研究意义。
图1：风速威布尔分布模型
（二）基准风电机组模型
采用Bladed仿真软件建立风电机组模型，在机组模型中将风电机组叶片长度设定为37.25m，叶轮直径设定为77m，塔筒高度设定为65m。仿真时风电机组还具备灵活的变桨功能，能够根据需要掌握的参数建立叶片振动坐标系，将机舱水平方向设定为X横轴，沿叶片的方向设定为Z轴，两个轴交于O点，取O点作垂直于面ZOX的直线作为Y轴。通过Bladed仿真软件建立基准风电机组模型，在建模的过程中会出现一些小规模的振动，叶片颤动会沿着横轴发生变化，最大幅度数值达到了0.72m，其它浮动数值在0.32m左右，振动频率为1.5Hz，叶片的摆动频率为0.2m。同时发现叶片沿Y轴朝相反的方向运动。
三、风电机组叶片加长改造的仿真分析
在已建模型的基础上对77m叶轮直径风电机组的叶片进行加长改造，改造过程中要注意只改变风电机组的叶片，确保风电机组的模型不会出现改变。然后在风电场11.25m/s的风速下进行仿真实验，获取83m叶轮直径风电机组叶片振动的结果。在叶片更换的时候要确保叶片的刚度、质量、计算模型不出现比较大的变化，目的是避免非叶片长度变化所引发的干扰。
在风电机组运行过程中，需要将叶片的桨距角控制在2.0～5.16之间，期间所启动的桨距角要能够满足风电机组起动特性需要。特别是要注意把控桨距角的变化，注意调节桨距角大小，确保叶片的稳定。风电机组正常运行时的桨距角最大数值达到5.16，若遇到湍流等不稳定风况时，桨距角也会增大，这个时候要注意采取措施调节桨距角的稳定。在83m叶轮直径风电机组模型中，风机输入功率会稳定保持在额定功率左右，此过程虽然功率曲线会发生波动，但是波动范围基本都在被限定的数值范围内。
四、风电机组叶片加长造价和度电成本分析
风电机组叶片成本占整机成本的15%～20%左右，在这种情况下，为了能够提高风电机组改造的经济效益，可以通过增加叶片长度来提升风电机组的经济性能。经过一系列的分析比较得出以下结论：第一，相同平均风速下，随着风电机组叶片长度的增加，风电机组发电量也会增加，风电机组的成本也有所增加。当平均风速比较低时，发电量呈现小幅度的提升。第二，随着平均风速的增加，长叶片、短叶片风电机组发电量的增幅均会出现变化。第三，当平均风速比较低时，通过适当的增加叶片长度能够提升风电机组的发电量，与此同时度电成本会产生下降。
通过对不同风况下、不同叶片长度风电机组的经济性分析可以发现，在不考虑风电机组特定因素和技术要求的基础上，针对平均风速比较低的地区，通过适当的增加叶片长度能够有效提升风电机组的风能捕捉量。
结束语
综上所述，在整个建模过程中，设定风电机组叶片长度为37.25m，叶轮直径为77m，同时风电机组还具备良好的变桨功能，可以根据参数需要来设定叶片振动坐标系。文章提出一种风电机组叶片加长改造方案，并对方案的具体实施情况进行了可行性分析，对风电场机型的改造和升级具有十分重要的应用意义。以77m叶轮直径风电机组为例，可以在实际风速比预期风速低的风电场进行叶轮直径在83m左右的叶片加长改造。在叶片加长改造的过程中，需要做好叶片变桨防振处理，且对风电机组的改造管理作好一系列的防护工作，从而在确保风电机组稳定运行的情况下增大风轮的扫风面积，提升风能的综合利用率，提高风电机组的发电量，使风电场达到理想的经济效益。
【参考文献】
[1]贺婷婷, 赵晓丽. 风力发电的成本效益分析——以张家口为例[J]. 中外能源, 2019, 024(005):21-25.
[2]崔晓志, 王华君. 风电机组叶片加长改造的可行性及成本效益分析[J]. 风能, 2013(11):94-100.