基于等效風(fēng)速的風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)特性分析

萬書亭，成立峰，繩曉玲

基于等效風(fēng)速的風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)特性分析

萬書亭，成立峰，繩曉玲

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

自然界的風(fēng)隨機(jī)性強(qiáng)，風(fēng)速和風(fēng)向變化頻繁。風(fēng)機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常因風(fēng)的變化和控制策略問題引起風(fēng)機(jī)頻繁偏航、振動(dòng)超限、故障停機(jī)等一系列工程問題。通過建立包含風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差的等效風(fēng)速模型，采用Matlab進(jìn)行仿真分析，與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究風(fēng)機(jī)在等效風(fēng)速下功率波動(dòng)特性。結(jié)果表明，等效風(fēng)速各分量對(duì)機(jī)組功率特性影響差異明顯?？蓳?jù)此進(jìn)行相關(guān)控制策略的優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性和風(fēng)能利用率。

振動(dòng)與波；風(fēng)機(jī)；功率波動(dòng)；等效風(fēng)速；風(fēng)剪切；塔影效應(yīng)；偏航誤差

作為綠色能源，風(fēng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)受到全世界的關(guān)注：儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、取之不盡并且清潔無污染。但作為自然界的產(chǎn)物，風(fēng)能也有其缺點(diǎn)：風(fēng)速、風(fēng)向都隨機(jī)變化并具有間歇性。為了提高風(fēng)能利用率，各種控制技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)機(jī)以適應(yīng)自然風(fēng)的隨機(jī)特性［1-3］。

現(xiàn)代大型風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所處的三維風(fēng)場(chǎng)中存在風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)，風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)載荷和功率都含有3P波動(dòng)分量，載荷的波動(dòng)會(huì)沿傳動(dòng)鏈傳播，使整個(gè)機(jī)組振動(dòng)，發(fā)電功率波動(dòng)，甚至影響機(jī)組安全運(yùn)行。另外，隨著風(fēng)向不斷變化，偏航控制系統(tǒng)經(jīng)常需要頻繁啟停以進(jìn)行迎風(fēng)控制。但風(fēng)電機(jī)組在正常發(fā)電工作狀態(tài)下偏航時(shí)所產(chǎn)生的扭矩波動(dòng)以及隨著偏航角和風(fēng)速的變化所產(chǎn)生的阻力矩變化等都會(huì)反映到偏航系統(tǒng)負(fù)載的波動(dòng)［4］，負(fù)載波動(dòng)將導(dǎo)致偏航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，偏航系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)對(duì)葉片、塔架、機(jī)艙等的振動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生很大影響，引起過激振動(dòng)而停機(jī)，甚至?xí)?duì)偏航部件及其他風(fēng)機(jī)部件造成損壞，對(duì)整個(gè)風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)的運(yùn)行安全造成威脅。圖1列出了風(fēng)機(jī)各關(guān)鍵部件和子系統(tǒng)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)［5-7］，風(fēng)機(jī)齒輪箱、偏航系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)等傳動(dòng)部件故障引起的故障停機(jī)時(shí)間占比都很大，這些系統(tǒng)的故障率也很高［8］。由于風(fēng)電設(shè)備一般地處偏遠(yuǎn)，環(huán)境惡劣，一旦發(fā)生故障，維修工時(shí)很長(zhǎng)，維修非常困難。因此，為了保障機(jī)組的安全運(yùn)行，提高發(fā)電效率，研究風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率特性的影響，具有很高的實(shí)際參考價(jià)值。

圖1　風(fēng)機(jī)各子系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)

本文基于包含風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和偏航誤差的等效風(fēng)速模型，深入研究了復(fù)雜風(fēng)況對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組輸出功率的影響，以某風(fēng)場(chǎng)2.5 MW直驅(qū)型風(fēng)機(jī)為例進(jìn)行了仿真計(jì)算，并與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，研究結(jié)果可為優(yōu)化控制策略、提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和風(fēng)能利用率打下理論基礎(chǔ)。

1　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)模型的建立

1.1風(fēng)機(jī)模型

圖2所示為完整的永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)模型包括風(fēng)速模型、風(fēng)輪模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型以及控制系統(tǒng)模型等。

圖2　永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型及風(fēng)速模型

由空氣動(dòng)力學(xué)可知，風(fēng)機(jī)功率特性的簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型可由風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)功率表示，如下式

式中PW——風(fēng)輪功率；ρ——空氣密度；R——風(fēng)輪半徑；veq——等效風(fēng)速；θ——葉片槳距角；λ——葉尖速比；Cp（θ，λ）——風(fēng)能利用系數(shù)。

式（1）中諸多參數(shù)如風(fēng)輪半徑、葉尖速比、風(fēng)速、風(fēng)向、空氣密度等，有的是風(fēng)機(jī)參數(shù)，有的是環(huán)境變量。這些參數(shù)是影響風(fēng)機(jī)功率特性的主要因素。

1.2風(fēng)速模型

等效風(fēng)速模型由Dale S L D等提出，該模型綜合考慮了風(fēng)剪切效應(yīng)和塔影效應(yīng)，風(fēng)輪動(dòng)態(tài)特性受其影響存在3P脈動(dòng)分量（3為葉片數(shù)、P為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角頻率），并推導(dǎo)了基于風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)的三葉片風(fēng)力機(jī)等效風(fēng)速解析公式［9］?；谠撃Ｐ停刃эL(fēng)速（veq）包含三個(gè)風(fēng)速分量：輪轂高度處風(fēng)速（veq0）、基于風(fēng)剪切效應(yīng)的風(fēng)速（veqws）和基于塔影效應(yīng)的風(fēng)速（veqts）。等效風(fēng)速及其各分量解析公式如式（2）—式（6）所示。

式中VH——輪轂中心處風(fēng)速；α——風(fēng)剪指數(shù)，其取值受地表影響；H——輪轂中心高度；β——葉片方位角；βb——每個(gè)葉片的方位角；a——塔筒半徑；x——葉片到塔筒中心線的距離，如圖3所示；M——風(fēng)速換算系數(shù)。

圖3　風(fēng)力發(fā)電機(jī)組若干尺寸參數(shù)的定義

自然界的風(fēng)隨機(jī)性很大，風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)刻變化?，F(xiàn)代風(fēng)機(jī)的偏航策略都要求具有一定的惰性以保證運(yùn)行穩(wěn)定性，即在平均風(fēng)向變化一定范圍一定時(shí)間內(nèi)保持當(dāng)前姿態(tài)。因此大部分時(shí)間內(nèi)，風(fēng)機(jī)是在偏航誤差存在的情況下運(yùn)行的。

當(dāng)風(fēng)向變化或偏航對(duì)風(fēng)不準(zhǔn)時(shí)，風(fēng)向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)軸線就會(huì)偏差一定角度，此角度稱為偏航誤差角，如圖2所示。此時(shí)，作用于風(fēng)輪的風(fēng)可以分解為兩個(gè)分量為

Vn分量正向作用于風(fēng)輪使風(fēng)機(jī)運(yùn)行，Vc分量側(cè)向作用于風(fēng)輪，稱之為橫風(fēng)分量，該分量對(duì)風(fēng)機(jī)運(yùn)行不產(chǎn)生影響，只產(chǎn)生橫向載荷。兩個(gè)分量的變化會(huì)影響風(fēng)輪的載荷和機(jī)組的運(yùn)行特性。

運(yùn)用等效風(fēng)速模型可以全面評(píng)估風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和偏航誤差對(duì)風(fēng)機(jī)帶來的影響，由于不再簡(jiǎn)單地以輪轂中心處風(fēng)速進(jìn)行風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)特性的計(jì)算，因此能夠全面準(zhǔn)確的反映風(fēng)輪所受的風(fēng)載情況。

2　風(fēng)機(jī)功率波動(dòng)特性仿真分析

2.1仿真參數(shù)

等效風(fēng)速模型包含了風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和偏航誤差，能夠真實(shí)反應(yīng)風(fēng)輪的實(shí)際受風(fēng)情況，從而能夠更精確地評(píng)估風(fēng)機(jī)的功率特性。以中國(guó)南方某風(fēng)場(chǎng)2.5 MW大型并網(wǎng)機(jī)組為例進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集和仿真分析。機(jī)組相關(guān)參數(shù)見表1所示。

表1　2.5 MW永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組參數(shù)

該風(fēng)機(jī)為永磁直驅(qū)同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，采用主動(dòng)偏航進(jìn)行迎風(fēng)控制，風(fēng)機(jī)的運(yùn)行控制策略隨風(fēng)速的變化可分為三個(gè)階段：低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段、低于額定功率運(yùn)行階段和恒額定功率運(yùn)行階段。三個(gè)階段所處的運(yùn)行風(fēng)速不同，控制參數(shù)和目標(biāo)也各不相同。

2.2風(fēng)剪切效應(yīng)對(duì)功率的影響分析

由式（1）和式（4）可知，只考慮風(fēng)剪切時(shí)，風(fēng)機(jī)功率的波動(dòng)主要受α、R和H的影響。圖4是風(fēng)剪切系數(shù)α對(duì)機(jī)組功率的影響曲線。風(fēng)剪切系數(shù)與地形、地表植被等因素有關(guān)?？梢钥闯?，在R和H不變的情況下，隨著α的取值從0.1增大到0.4，風(fēng)機(jī)功率降低且降幅遞減；功率波動(dòng)幅值則增大。

圖4　風(fēng)剪切下α對(duì)功率波動(dòng)的影響

圖5是風(fēng)剪切效應(yīng)下風(fēng)輪半徑R對(duì)機(jī)組功率的影響曲線。因風(fēng)輪半徑是決定風(fēng)機(jī)發(fā)電容量的最重要參數(shù)，隨著R的增大，機(jī)組功率會(huì)迅速增大。本文主要關(guān)注的是，隨著R的增大，風(fēng)剪切效應(yīng)也會(huì)相應(yīng)增大，從圖5中可以直觀看出，當(dāng)R的取值從46.5 m增大到76.5 m時(shí)，機(jī)組功率波動(dòng)幅值逐漸增大。

圖5　風(fēng)剪切下R對(duì)功率波動(dòng)的影響

圖6是風(fēng)剪切效應(yīng)下輪轂中心高度H對(duì)機(jī)組功率的影響曲線。隨著H的增大，機(jī)組功率明顯增大，功率波動(dòng)幅值則減小，這表明離地表越高，地表粗糙度對(duì)風(fēng)速的影響越小，風(fēng)剪切效應(yīng)越小。

圖6　風(fēng)剪切下H對(duì)功率波動(dòng)的影響

2.3塔影效應(yīng)對(duì)功率的影響分析

由式（1）和式（5）可知，只考慮風(fēng)剪切的情況下，風(fēng)機(jī)功率的波動(dòng)主要受R、a和x的影響。圖7是塔影效應(yīng)下風(fēng)輪半徑R對(duì)機(jī)組功率的影響曲線。同樣因?yàn)镽是影響機(jī)組吸收風(fēng)能的主要參數(shù)，機(jī)組功率隨R的增大迅速增大，塔影效應(yīng)造成的功率脈動(dòng)也隨之明顯，即葉片在掃過塔筒時(shí)產(chǎn)生功率脈動(dòng)，脈動(dòng)幅值隨R增大而增大。

圖7　塔影效應(yīng)下R對(duì)功率波動(dòng)的影響

圖8是塔筒半徑a對(duì)機(jī)組功率的影響曲線?？梢钥闯霎?dāng)a的取值從1 m變化到4 m時(shí)，風(fēng)機(jī)功率脈動(dòng)的波長(zhǎng)只是略有延長(zhǎng)，但脈動(dòng)幅值卻成倍增大。

圖8　塔影效應(yīng)下a對(duì)功率波動(dòng)的影響

圖9是葉尖到塔筒的最小距離x對(duì)機(jī)組功率的影響曲線。隨著風(fēng)輪距離塔筒越來越遠(yuǎn)，x取值從4.2 m增大到7.2 m，機(jī)組功率脈動(dòng)幅值迅速減小，但脈動(dòng)波長(zhǎng)顯著延長(zhǎng)，這表明塔筒周圍存在的塔影效應(yīng)隨x的增大其影響范圍在加大，但影響強(qiáng)度在迅速減弱。

圖9　塔影效應(yīng)下x對(duì)功率波動(dòng)的影響

需要注意的是，風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)造成的機(jī)組功率波動(dòng)，其最小功率都發(fā)生在風(fēng)輪方位角β為π/3、π和5π/3處，即當(dāng)某一葉片指向地面與塔筒軸線重合時(shí)兩種效應(yīng)產(chǎn)生疊加，機(jī)組功率此時(shí)出現(xiàn)最小值且波動(dòng)幅值最大，風(fēng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，功率以3P（3為葉片數(shù)、P為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角頻率）的頻率脈動(dòng)。

2.4偏航誤差對(duì)功率的影響分析

由式（7）可知，隨著偏航誤差角的增大，風(fēng)輪能夠吸收到的風(fēng)速分量Vn以余弦關(guān)系減小。不考慮控制量的引入，風(fēng)輪的氣動(dòng)功率與偏航誤差角φ的關(guān)系簡(jiǎn)單的遵循Cosine-cubed法則［10］。

圖10是偏航誤差影響下的風(fēng)機(jī)功率損失曲線?？梢钥闯鲈陲L(fēng)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行過程中，各種控制量（θ、λ、Cp（θ，λ）、Te等）的加入使得風(fēng)輪氣動(dòng)功率與偏航誤差角的關(guān)系復(fù)雜化，并不是簡(jiǎn)單的完全遵循Cosine-cubed法則。

圖10　偏航誤差對(duì)機(jī)組功率的影響

在低于額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行階段，即低于7.4 m/s時(shí)，葉片槳距角為0°，風(fēng)輪運(yùn)行在最佳葉尖速比或略有調(diào)整，風(fēng)能利用系數(shù)Cp（θ，λ）維持在最大值并保持不變。此時(shí)偏航誤差對(duì)機(jī)組功率的影響隨風(fēng)速的增大迅速增大。在小偏航誤差角（10°和15°）時(shí)，功率損失曲線迅速趨近并超過Cosine-cubed法則值，而在大偏航誤差角（30°、45°和60°）時(shí)，功率損失曲線則近似的以Cosine-cubed法則值為極限線性趨近。此階段，偏航誤差對(duì)風(fēng)速比較敏感，在切入風(fēng)速（3 m/s）附近的低風(fēng)速階段甚至引起風(fēng)機(jī)不能正常切入。

在低于額定功率運(yùn)行階段，即風(fēng)速介于7.4 m/s 與10.5 m/s之間，葉片槳距角依然為0°，風(fēng)輪的葉尖速比與風(fēng)能利用系數(shù)均隨風(fēng)速的增大緩慢降低。偏航誤差對(duì)機(jī)組功率的影響區(qū)域穩(wěn)定，風(fēng)能損失率均達(dá)到最大值，基本不隨風(fēng)速的變化而變化。值得注意的是，此階段大偏航誤差角雖能很好地符合Cosine-cubed法則，但在小偏航誤差角時(shí)，如圖5所示，機(jī)組功率損失在偏航誤差為10°時(shí)約為8%，在偏航誤差為15°時(shí)約為13%，均大大超過了Cosinecubed法則值的4.5%和9.9%。

在恒額定功率運(yùn)行階段，即風(fēng)速大于10.5 m/s時(shí)，葉片槳距角開始受控增大以調(diào)節(jié)風(fēng)輪捕獲的氣動(dòng)扭矩，葉尖速比繼續(xù)降低，風(fēng)能利用系數(shù)隨風(fēng)速增大迅速減小，以保證風(fēng)機(jī)在額定功率運(yùn)行的同時(shí)不被過大的風(fēng)載損壞。此時(shí)偏航誤差對(duì)機(jī)組功率的影響開始分化，由圖10可直觀地看到，偏航誤差較小時(shí)，這種影響迅速降低為零，風(fēng)機(jī)能夠很快達(dá)到額定功率；當(dāng)偏航誤差較大時(shí)，機(jī)組功率隨風(fēng)速變化出現(xiàn)發(fā)散性波動(dòng)，不能達(dá)到額定功率。

2.5等效風(fēng)速對(duì)功率的影響分析

將風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和偏航誤差產(chǎn)生的影響進(jìn)行綜合考量，可以得到等效風(fēng)速下機(jī)組功率的特性曲線，如圖11所示。

圖11　等效風(fēng)速對(duì)功率波動(dòng)的綜合影響

可以看出，偏航誤差由0°增大到15°，機(jī)組功率有小幅降低，其降幅僅為等效風(fēng)速產(chǎn)生的脈動(dòng)幅值的1/3，功率總體波動(dòng)較大；當(dāng)偏航誤差超過30°后，機(jī)組功率迅速減小，但此時(shí)等效風(fēng)速的影響減小，功率脈動(dòng)幅值變小，功率相對(duì)平穩(wěn)。

另外，風(fēng)剪切和塔影效應(yīng)在葉片處于最低位置時(shí)產(chǎn)生效應(yīng)疊加，使功率波動(dòng)加劇，而在葉片處于最高位置時(shí)效應(yīng)相抵，使功率波動(dòng)受到抑制，只因風(fēng)剪切較之塔影效應(yīng)非常微弱，約5%，所以抑制效果并不明顯。

仿真結(jié)果表明，機(jī)組功率特性對(duì)風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差的響應(yīng)有明顯差異。

3　機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

本文算例中風(fēng)機(jī)所在的風(fēng)場(chǎng)地處高原丘陵地帶，空氣密度偏?。ū?），屬于S類風(fēng)場(chǎng)，表面植被繁茂，地形高低起伏，風(fēng)剪切系數(shù)很大，受氣候、地形等影響風(fēng)速、風(fēng)向變化非常頻繁劇烈，風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況數(shù)據(jù)見圖12。風(fēng)機(jī)控制策略的制定要以正常運(yùn)行狀態(tài)下力學(xué)特性為基礎(chǔ)，綜合考慮機(jī)組功率損失、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、轉(zhuǎn)速波動(dòng)以及風(fēng)機(jī)系統(tǒng)及其各子系統(tǒng)的運(yùn)行特性和響應(yīng)速度等因素，制定合理的控制策略。根據(jù)風(fēng)況條件，該風(fēng)場(chǎng)為了發(fā)電量的最大化制定的偏航控制策略如下：偏航容許誤差當(dāng)風(fēng)速小于7 m/s時(shí)，對(duì)風(fēng)誤差是25°；風(fēng)速大于7 m/s時(shí)，對(duì)風(fēng)誤差是15°，控制信號(hào)采用風(fēng)向標(biāo)檢測(cè)30 s平均值，平均值超過設(shè)定容許誤差啟動(dòng)偏航，偏航角度對(duì)準(zhǔn)時(shí)停止偏航，偏航速度為0.5°/s。

圖12　風(fēng)場(chǎng)風(fēng)況數(shù)據(jù)

圖13為某風(fēng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行功率與本文仿真結(jié)果的數(shù)據(jù)對(duì)比。分析可知，在該風(fēng)機(jī)的偏航控制策略下，雖然風(fēng)機(jī)頻繁偏航試圖精確對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向以捕獲最大風(fēng)能，但因風(fēng)向的隨機(jī)劇烈變化，風(fēng)機(jī)大部分運(yùn)行時(shí)間內(nèi)處在較大偏航誤差下運(yùn)行，反映在發(fā)電功率上可以看出，在低風(fēng)速段偏航誤差基本處在0°～30°之間，在高風(fēng)速階段偏航誤差處在10°～20°之間。加之風(fēng)場(chǎng)地處丘陵地帶，風(fēng)剪切系數(shù)很大，本文取參考值0.4，因此風(fēng)機(jī)的功率波動(dòng)都很大，且實(shí)際發(fā)電功率較理論值偏小。

圖13　機(jī)組實(shí)際功率與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

根據(jù)仿真分析以及風(fēng)場(chǎng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)可以得出，風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差對(duì)機(jī)組運(yùn)行特性的影響非常巨大，所產(chǎn)生的機(jī)組振動(dòng)以及功率波動(dòng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行安全帶來很大隱患，因此開展此項(xiàng)研究對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行維護(hù)具有重要的參考價(jià)值。

4　結(jié)語

通過建立等效風(fēng)速模型，采用Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算，研究了風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差對(duì)機(jī)組功率波動(dòng)特性產(chǎn)生的影響，并與風(fēng)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：

（1）考慮風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)和偏航誤差時(shí)，機(jī)組受α、R、H、a、x和φ等參數(shù)的影響所產(chǎn)生的功率波動(dòng)規(guī)律各異。

（2）風(fēng)輪處于不同的方位角β時(shí)，風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差對(duì)功率波動(dòng)幅值的影響差距很大。

（3）受風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)的影響，功率存在3P波動(dòng)，而偏航誤差對(duì)此3P波動(dòng)有平抑作用，且隨著偏航誤差的增大這種平抑作用越顯著。

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組功率波動(dòng)特性對(duì)風(fēng)剪切、塔影效應(yīng)及偏航誤差的響應(yīng)差異明顯。風(fēng)場(chǎng)在制定相關(guān)的風(fēng)機(jī)運(yùn)行維護(hù)策略尤其是偏航控制策略時(shí)可以據(jù)此進(jìn)行針對(duì)性、階段性參數(shù)優(yōu)化以提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和風(fēng)能利用率。

［1］TONY B，NICK J，DAVID S，et al.Wind energy handbook，2nd edition［M］.John Wiley&Sons Ltd，England，2011：475-483.

［2］郭金東，趙棟利，林資旭，等.兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（2）：1-5.

［3］趙永祥，夏長(zhǎng)亮，宋戰(zhàn)鋒，等.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速非線性PID控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28（11）：133-138.

［4］EKELUND T.Yaw control for reduction of structural dynamic loads in wind turbines［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000，85（3）：241-262.

［5］CRISTIAN B.Modeling lifetime of high power IGBTs in windpowerapplications-anoverview［C］.IEEE InternationalSymposiumonIndustrialElectronics，Gdansk，Poland，2011：1408-1413.

［6］RIBRANT J，BERTLING L M.Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plants during 1997-2005［J］.167-173.

［7］PINARPéREZJM，GARCíA MáRQUEZFP，ANDREW TOBIAS，et al.Wind turbine reliability analysis ［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，23：463-472.

［8］隆軍，吳金強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子不對(duì)中故障診斷［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2013，33（3）：222-225.

［9］DALE S L D，PETER W L.Simulation model of wind turbine 3p torque oscillations due to wind shear and tower shadow［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2006，21（3）：717-724.

［10］XI YU，INFIELD D，MAGUIRE E.Wind direction error inthelillgrundoffshorewindfarm［C］.IET2013 Renewable Power Generation Conference，Beijing，China，2013：1-6.

Analysis of Wind Turbine Power Oscillation Characteristics Based on the Equivalent Wind Speed

WAN Shu-ting，CHENG Li-feng，SHENG Xiao-ling
（College of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei China）

Natural wind is stochastic，its speed and direction change randomly and frequently.Wind turbines often suffer from a series of engineering issues during operation，including frequent yaw，overlarge vibration and downtime because of the changes of wind and control strategies.In this paper，an equivalent wind speed model including wind shear，tower shadow effect and yaw error is established，and the Matlab code is used for simulation analysis.The results are compared with the actual operation data from a wind farm.The output power oscillation characteristics at the equivalent wind speed are studied.The results indicate that the components of the equivalent wind speed have significant influence on the output power characteristics of the wind turbine.These results may provide a theoretical support for optimizing the control strategies to increase the operation stability of the wind turbines and the utilization ratio of wind energy.

vibration and wave；wind turbines；power oscillation；equivalent wind speed；wind shear；tower shadow；yaw error

TM6

ADOI編碼：10.3969/j.issn.1006-1335.2016.03.026

1006-1355（2016）03-0127-05+173

2015-12-31

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（12MS101；2014XS82）

萬書亭（1970-），山西省長(zhǎng)子縣人，男，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：13582996591@139.com

成立峰（1981-），男，河北省定州市人，博士研究生，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行特性、故障診斷與控制策略。E-mail：clf2001_0@163.com