風(fēng)電機(jī)組最小變槳角度的應(yīng)用

文 | 王云濤，劉明超，胡明清

風(fēng)電機(jī)組最小變槳角度的應(yīng)用

文 | 王云濤，劉明超，胡明清

在全球資源日益稀缺的能量危機(jī)下，人們對(duì)可再生能源和清潔能源越來越重視，并且加以利用，風(fēng)電機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。隨著技術(shù)水平和行業(yè)發(fā)展，機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，而隨著單機(jī)容量的增大，對(duì)于機(jī)組各項(xiàng)性能要求也越來越高，可靠性越來越高，購(gòu)買者希望機(jī)組能夠最大限度地吸收風(fēng)能，將其轉(zhuǎn)化為電能，創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

本文通過研究分析葉片特性，根據(jù)葉片在不同轉(zhuǎn)速、不同變槳角度的情況下，風(fēng)能利用系數(shù)不同的特性，在系統(tǒng)控制上找到一種控制變槳角度的方式，使機(jī)組在不同運(yùn)行工況下能夠獲取最大的風(fēng)能利用系數(shù)。下面介紹風(fēng)電機(jī)組中最小變槳角度設(shè)定的方法，來確保機(jī)組在不同風(fēng)速下獲取最大風(fēng)能利用系數(shù)。

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域

根據(jù)不同風(fēng)速，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行控制大致可分為圖1所示的4個(gè)運(yùn)行區(qū)域，即啟動(dòng)區(qū)、最大風(fēng)能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、和恒功率區(qū)。

啟動(dòng)區(qū)（S0-S1）：

風(fēng)速小于切入風(fēng)速，發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)脫網(wǎng)，機(jī)組不發(fā)電。

最大風(fēng)能追蹤區(qū)（S1-S4）：

機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電后，機(jī)組輸出功率與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)組運(yùn)行在最優(yōu)Cp曲線上，實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能的追蹤。

恒轉(zhuǎn)速區(qū)（S4）：

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速到達(dá)設(shè)定值，但機(jī)組輸出功率未達(dá)到額定功率，為了保護(hù)機(jī)組不受損壞，不再進(jìn)行最大風(fēng)能追蹤控制，而是通過槳距控制將轉(zhuǎn)速限制在相應(yīng)設(shè)定值上。

恒功率區(qū)（S5-S6）：

隨著風(fēng)速的增大，機(jī)組輸出的機(jī)械功率不斷增加，此時(shí)發(fā)電機(jī)和功率變換器將達(dá)到其功率極限，必須通過變槳距控制對(duì)機(jī)組功率加以限制，使風(fēng)電機(jī)組處于恒轉(zhuǎn)速恒功率運(yùn)行狀態(tài)。

綜上，在額定風(fēng)速以下時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行不受功率限制，機(jī)組控制系統(tǒng)的任務(wù)是：通過對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)來跟蹤最佳Cp曲線以獲得最大風(fēng)能轉(zhuǎn)化率；高風(fēng)速時(shí)，最優(yōu)Cp值對(duì)應(yīng)的機(jī)械功率將超過機(jī)組額定功率，必須通過變槳控制來限制機(jī)組輸出功率。

最大風(fēng)能追蹤機(jī)理

一、風(fēng)能特性

風(fēng)電機(jī)組輸出機(jī)械功率與風(fēng)速有如下關(guān)系：

式中：ρ為空氣密度，單位為kg/m3；

ν為上風(fēng)向風(fēng)速，單位為m/s；

Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；

A為機(jī)組槳葉掃掠面積，單位為m2；

A＝πR2，R為風(fēng)輪半徑。

風(fēng)能利用系數(shù)Cp是關(guān)于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數(shù)，即：Cp（ λ ，β），當(dāng)槳距角和葉尖速比發(fā)生改變，Cp值隨之變化。圖2為某機(jī)型的Cp(λ ， β)曲線圖。

二、最佳風(fēng)能利用系數(shù)

從圖2可以看出，在固定葉尖速比的情況下，槳距角決定風(fēng)能利用系數(shù)的大小。對(duì)于特定風(fēng)電機(jī)組，在唯一的最佳葉尖速比λopt下，通過調(diào)節(jié)槳距角，使得Cp達(dá)到最大值Cpmax。當(dāng)葉尖速比偏離最佳葉尖速比λopt或者槳距角改變，就會(huì)使風(fēng)能利用系數(shù)Cp減小，降低風(fēng)能利用及轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)貝茨理論，風(fēng)能利用系數(shù)的極限值約為0.593。

為了不用風(fēng)速控制風(fēng)電機(jī)組，可以修改功率表達(dá)式，以消除對(duì)風(fēng)速的依賴關(guān)系，按已知的Cpmax和λopt計(jì)算Popt。根據(jù)λ＝ωR/ν，其中ω為葉輪角速度，R為葉片半徑，ν為風(fēng)速；如果用轉(zhuǎn)速替代風(fēng)速，則可以導(dǎo)出功率是轉(zhuǎn)速的函數(shù)，三次方關(guān)系仍然成立，即最佳功率Popt與轉(zhuǎn)速的三次方成正比：

假設(shè)機(jī)組在某個(gè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，葉尖速比為恒定，我們通過Bladed 軟件仿真得出的數(shù)據(jù)可以繪制出Cp—角度曲線，如圖3；最優(yōu)Cp對(duì)應(yīng)的變槳角度并非是傳統(tǒng)使用的0°，該葉片在葉尖速比為8.62時(shí)，最優(yōu)Cp對(duì)應(yīng)的變槳角度為-1°并非是傳統(tǒng)使用的0°。

仿真效果

表1 λ-變槳與變槳角度對(duì)應(yīng)表

表2 風(fēng)速與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)表

就Bladed仿真來說，若風(fēng)電機(jī)組為雙饋機(jī)型，選擇某機(jī)型某葉片，使用Bladed 軟件進(jìn)行葉片數(shù)據(jù)仿真，可以得到CP-λ數(shù)值表，表1為某葉片仿真數(shù)據(jù)表。

從表1葉片仿真數(shù)據(jù)表中可以看出，Cpmax＝ 0.4880，對(duì)應(yīng)的變槳角度是0°，葉尖速比為9.92；若設(shè)定該數(shù)值為最佳葉尖速比，風(fēng)速與最優(yōu)轉(zhuǎn)速關(guān)系的情況下，會(huì)得到最佳的功率輸出；表2為該機(jī)型風(fēng)速與轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)表。

該雙饋機(jī)型風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍設(shè)定1100rpm－1830 rpm 為并網(wǎng)發(fā)電區(qū)間，在3m/s－5 m/s風(fēng)速時(shí)偏離最佳的發(fā)電葉尖速比；此時(shí)若3m/s的風(fēng)速對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為1100rpm時(shí)，葉尖速比為：λ＝16.19，此時(shí)的Cp＝0.3267.

若此時(shí)最小變槳角度設(shè)置為最優(yōu)角度2°，Cp值為Cp＝0.35，提高7%的發(fā)電量。 因此，在機(jī)組運(yùn)行過程中動(dòng)態(tài)改變最小變槳角度是非常有意義的。

若風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)速分布在3m/s－6m/s之間，首先要考慮變速箱的變速比，另外要考慮風(fēng)電機(jī)組的最小變槳角度，對(duì)提高發(fā)電量是有幫助的。所以，在機(jī)組中應(yīng)當(dāng)重視最小變槳角度的設(shè)定。

我們可以通過查表法或者采用自動(dòng)尋優(yōu)的控制算法實(shí)現(xiàn)不同風(fēng)速下最小變槳的角度的設(shè)定，如圖4為某機(jī)型的最佳變槳曲線。

結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)隨著運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組數(shù)目的不斷增多，單機(jī)容量不斷增大，而一類、二類風(fēng)能資源越來越少，提高運(yùn)行機(jī)組單機(jī)發(fā)電效率越來越重要，各整機(jī)生產(chǎn)廠商都意識(shí)到提高發(fā)電效率的重要性，這就需要我們更加深入研究和優(yōu)化機(jī)組控制細(xì)節(jié)，而其中動(dòng)態(tài)改變最小變槳角度對(duì)提高機(jī)組的發(fā)電效率至關(guān)重要，從而對(duì)機(jī)組的年發(fā)電量的提高是非常有幫助的。

（作者單位：青島華創(chuàng)風(fēng)能有限公司）