H型垂直軸風力發(fā)電機變槳控制策略研究

吳祥輝，劉立群，趙曉博，劉 曉，董雅睿

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

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H型垂直軸風力發(fā)電機變槳控制策略研究

吳祥輝，劉立群，趙曉博，劉 曉，董雅睿

(太原科技大學電子信息工程學院，太原 030024)

針對垂直軸風力發(fā)電機自啟動能力差和風能利用效率低的問題，提出了自動變槳控制策略，并搭建了H型垂直軸風力發(fā)電機實驗平臺。基于葉素理論對葉片進行分析，得出了葉尖速比λ<1情況下的變槳規(guī)律。將定槳距模型和自動變槳距模型進行對比，結果表明：采用自動變槳距方案可以有效的提高垂直軸風力機的自啟動能力和風能利用效率。

自動變槳；H型垂直軸風力發(fā)電機；葉素理論

風力發(fā)電機是風能利用的主要設備，風力發(fā)電機有兩種基本形式：水平軸風力發(fā)電機和垂直軸風力發(fā)電機。其中，水平軸風力發(fā)電機以風能利用率高得到人們的廣泛關注，并且已有大規(guī)模的發(fā)展，但重心不穩(wěn)、維修不便、噪聲大等缺點始終是其未能克服的瓶頸問題。與水平軸風力發(fā)電機相比，垂直軸風力發(fā)電機具有安裝成本低、維修方便、重心低、不需要偏航裝置、噪聲小等優(yōu)點，特別是在城市中更容易與建筑物集成的特點，使其擁有很大的研究潛力和價值[1]。但是垂直軸風力發(fā)電機也有其自身的缺點，一是自啟動性能比較差，二是風能利用效率低于水平軸風力發(fā)電機。為了克服上述缺點，變槳距技術應運而生，通過改變垂直軸風力發(fā)電機的槳距角來控制葉片攻角的變化，從而改善葉片的氣動性能，達到提高風能利用率的目的[2-3]。目前，垂直軸風力發(fā)電機以定槳距結構為主，很大程度上限制了垂直軸風力發(fā)電機的應用范圍。本文研究了垂直軸風機的數(shù)學建模和機構設計，提出了H型垂直軸風力發(fā)電機的自動變槳控制策略，提高了垂直軸風力發(fā)電機的自啟動能力，通過MATLAB仿真對比了定槳距和變槳距對垂直軸風力發(fā)電機的風能利用率的影響。并且在機械結構設計上，利用步進電機的精確性和渦輪蝸桿減速機的自鎖功能使垂直軸風力發(fā)電機的變槳更加精確。

1 自動變槳距垂直軸風力機原理

1.1 風機參數(shù)和工作原理

圖1 垂直軸風力發(fā)電機結構圖Fig.1 The structure of VAWT

表1 垂直軸風力發(fā)電機參數(shù)Tab.1 The prototype and parameters of VAWT

自動變槳距垂直軸風力發(fā)電機如圖1所示。將風速風向儀所測得的風速信號V0和旋轉編碼器測得的方位信號θ，槳距角信號β和葉尖速信號U傳輸給控制器DSP，由控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)按照一定的函數(shù)關系計算出每個葉片此時的最佳槳距角。步進電機根據(jù)控制器發(fā)出來的反饋信號以及旋轉編碼器反饋的槳距角信號，與渦輪蝸桿減速機互相配合來驅動葉片使其處于最佳的攻角位置，構成一個實時變槳系統(tǒng)[4-5]。垂直軸風力發(fā)電機在運行的過程中會按照所設計的變槳距方案實時控制每個葉片的槳距角，從而達到提高風力機自啟動能力和風能利用率的目的。

自動變槳距垂直軸風力發(fā)電機的特點：風機整體采用鋼架結構，制造與運輸方便。發(fā)電裝置和控制板安裝在風機底部，便于安裝與維護。風機主軸、葉輪和葉輪支架、動力輸出設備、發(fā)電機輸出裝置和控制器裝置可相互分離，使風機的設計、加工、安裝更加方便。

1.2 風機獨立變槳機構

風速風向儀：如圖2(a)外殼為鋁合金材材料，具有重量輕，起動轉矩小，慣性低，能真實反應風速風向信息的優(yōu)點。風速的測定與采樣傳感器的脈沖數(shù)和采樣時間有關，風向的測定則由傳感器的輸出電壓決定，不同的電壓值代表了不用的方向。

旋轉編碼器：如圖2(b)所示，通過內部固定電路，將轉軸轉動所產(chǎn)生的模擬信號轉變?yōu)閿?shù)字信號，從而測出葉片當前所處的具體位置。為了準確測量風輪轉軸旋轉的角度，編碼器必須固定不動，所以將該編碼器固定在轉軸的頂端與風機轉軸相連，固定在頂端。

步進電機和渦輪蝸桿減速器：如圖2(c)所示步進電機將控制板發(fā)出的脈沖信號變換成角位移來控制轉子轉動。渦輪蝸桿減速機具有反向自鎖功能，能夠有效減小葉片的轉動慣量[6]，當步進電機帶動葉片轉動到達特定區(qū)域時，能夠使葉片停止不動，達到槳距角β保持不變的目的。

圖2 變槳裝置Fig.2 Variable pitch mechanism

2 基于葉素理論的空氣動力學模型分析

葉素理論模型是風機葉片簡化后的模型，葉素為風機葉片沿展向細分后的微段。忽略展向作用在相鄰葉素上的力相互影響，將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，得出作用在葉輪上的切向轉矩力與軸向推力[7-10]。

圖3為垂直軸風力機槳葉速度三角形矢量圖，Rω是葉輪的旋轉速度，V0為風速，W為來流風速與葉片切向速度的矢量合，稱為相對風速，攻角是相對風速與葉片弦線的夾角，用α表示。

當風輪靜止時，風輪的旋轉角速度為零，即Rω=0 m/s.此時相對風速與來流風速等價，θ=180°和θ=0°處的葉片只受到法向力的作用，不產(chǎn)生使風輪旋轉的切向力。而θ=-90°和θ=90°處的兩個葉片與風向平行，幾乎不受風的作用力，所以也沒有產(chǎn)生驅動風輪轉動的切向力。以上即為垂直軸風力發(fā)電機自啟動性能差的主要原因之一。

當風輪在氣流的影響下轉動時，在θ=-180°和θ=0°這兩個特殊位置處同樣兩個葉片只受法向力的作用，氣流仍然不產(chǎn)生使風輪轉動的切向力。通過圖3可知各個位置的攻角變化情況，葉片的方位角θ處在-180°～0°時，氣流對葉片做正功，產(chǎn)生使風輪旋轉的正切向力；葉片的方位角處在0°～180°時，氣流對葉片做負功，產(chǎn)生阻礙風輪旋轉的負切向力。分析可得，攻角的變化范圍過大，將造成切向力大幅震蕩，從而使風機的運行不穩(wěn)定，降低了風能利用率。通過改變葉片的槳距角，得到最佳攻角，則可以有效解決這一問題。

圖3 槳葉速度三角形矢量圖Fig.3 Diagram of blade speed vector

3 自動變槳風機變槳規(guī)律研究

由圖3矢量三角形可知：

W=V0-U

(1)

式中：W─相對風速；V0─風速；U─葉片旋轉的線速度，U=Rω.

將W和V0分解為切向和法向兩個方向可得：

Wt=Rω-V0sinθ

(2)

Wn=V0conθ

(3)

Wt和Wn分別為相對風速沿葉片旋轉切線方向的分量和軸向方向的分量。

攻角可以表示為：

(4)

α─葉片攻角；ω─葉片旋轉角速度；R─葉片旋轉半徑；λ─葉尖速比。

風輪在旋轉的過程中，氣流產(chǎn)生的反作用力可以分解為兩個方向，一個是與相對風速W平行的阻力，用D表示；另一個是與阻力垂直的升力，用L表示[7]。

(5)

(6)

ρ─空氣密度；C1─升力系數(shù)；Cd─阻力系數(shù)；c─葉片弦長。

通過流體力學FLUENT6.3軟件仿真得出平板翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線，根據(jù)該曲線擬合得出[15]：c1=sin2α，Cd=2sin2α.

根據(jù)圖4受力分析，計算出法向力系數(shù)Cn和切向力系數(shù)Ct：

Cn=C1cosα+Cdsinα

(7)

Ct=C1sinα-Cdcosα

(8)

將葉片所受到的升力與阻力按圖4中n-t坐標系分解可以得出葉片此時受到的切向力dFt和法向力dFn：

(9)

(10)

Cn─法向力力系數(shù)；Ct─切向力力系數(shù)。

風力機由4片葉片組成，則整個風輪所受的切向力為：

(11)

P=FtU

(12)

風能利用系數(shù)為：

(13)

圖4 葉片受力分析圖Fig.4 Force analysis on blade

圖5是根據(jù)公式(4)得出的不同方位角下葉片攻角變化曲線。當選用定槳距方式時，葉片的攻角急劇變化，在某些時刻甚至大于失速攻角，尤其在λ<1時攻角變化的范圍達到了-90°～90.當攻角增大到失速攻角時，氣流在葉片的表面開始分離，升力系數(shù)達到峰值，超過失速攻角后，升力系數(shù)開始下降，阻力系數(shù)上升。攻角的劇烈變化降低了風力機的啟動轉矩，所以傳統(tǒng)的垂直軸風力機自啟動性能不佳。

圖5 定槳距模式葉片攻角變化曲線Fig.5 The curve of attack ankle with fixed blade ankle

通過改變葉片的攻角使葉片的升阻比達到最大，來增加切向力矩，可使風力機的自啟動能力顯著提高。攻角是隨著相對風速W和葉片方位角θ的變化而不斷變化的，基于葉素理論，確定葉片最優(yōu)變槳規(guī)律的程序流程圖，如圖6所示，其基本原理為：在風速V0(假設V0=10 m/s)、尖速比λ及其他風輪參數(shù)確定的情況下，求解方位角0°～360°范圍內不同槳距角下的扭矩力，通過比較得出最大扭矩力，從而確定任意方位角下的最佳槳距角[8-14]。

圖7為變槳規(guī)律示意圖，槳距角的變化量等于風輪方位角變化量的一半，β=-θ/2+90°即風輪每逆時針轉動1°，步進電機帶動葉片順時針轉動0.5°，這種變槳方式稱為同步變槳。在本文研究中，風力機的風輪共有四個葉片，選用易于加工的平板翼型，其對稱性可使得研究大大簡化。

在風輪的上風向：由于λ<1，風力做正功，所以要增大葉片的受力面積使風輪獲得最大的切向力Ft進而提高垂直軸風機的風能利用率，F(xiàn)t=F1sinβ-Fdcosβ.方位角為0°時，槳距角為90°時Ft最大；方位角為90°時，槳距角為45°時Ft最大；方位角為-90°時，槳距角為-45°時Ft最大。在風輪的下風向：由于風與風輪的旋轉軌跡方向相反，風力做負功，所以應減小葉片的受力面積，理想狀態(tài)是通過變槳裝置使相對風速W與葉片弦線時刻保持平行，此時風在下風向對風輪做的負功為零，將使風力機的風能利用率顯著提高。

圖6 變槳規(guī)律流程圖Fig.6 Flow chart for rules of blade pitch

圖7 自動變槳規(guī)律Fig.7 Automatic variable pitch rules

通過流程圖得出的變槳距規(guī)律，結合公式(12)和公式(13)通過在MATLAB中仿真對定槳距模式和自動變槳距模式在不同尖速比下的風能利用系數(shù)進行對比，如圖8.可知垂直軸風力機采用變槳距方案比定槳距方案更易于自啟動且風能利用率更高，其最佳運行尖速比范圍是0.48～0.63.

圖8 定槳距模式與自動變槳距模式風能利用系數(shù)對比Fig.8 The comparison of Cp between fixed pitch VAWT and variable pitch VAWT

4 結 論

本文的主要目標是提出一種能夠有效提高垂直軸風力機自啟動能力和風能利用率的自動變槳控制策略。首先對比定槳距方案驗證了自動變槳控制策略的優(yōu)越性。同時設計了一個H型垂直軸風力機，采用獨立變槳機構，機械結構簡單，成本降低。如何能夠進一步完善風力機變槳距數(shù)學模型以及提高變槳精度和穩(wěn)定性是下一步的研究方向。

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Research on Varible-pitch Control Strategy for H-type Vertical Axis of Wind Turbine

WU Xiang-hui，LIU Li-qun，ZHAO Xiao-bo，LIU Xiao，DONG Ya-rui

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The poor self-starting performance and the low efficiency of electricity generation have restricted the development of H-type vertical axis of wind turbine all the time.The automatic variable pitch scheme has been investigated to solve the above problems.In addition，experiments have been done on the H-type vertical axis of wind turbine.First，according to the theoretical analysis of blade element，the variable pitch laws when λ<1 have been obtained.Second，the performances of variable pitch model and fixed pitch model are compared.The improved self-starting performance and system efficiency by using variable-pitch laws were validated by experimental results.

automatic variable pitch，H-type vertical axis wind turbine，blade element theory

2015-04-17

中國博士后基金第7批特別資助項目(2014T70234)；中國博士后基金第53批特別資助項目(2013M530895)

吳祥輝(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電。

1673-2057(2015)06-0441-05

TK83

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.006