變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制及載荷優(yōu)化

張銘健

摘要：風(fēng)能作為一種清潔能源受到人們的關(guān)注，其相較于傳統(tǒng)的火力發(fā)電和核電站具備設(shè)計制造周期更短，建設(shè)更為靈活，對環(huán)境的影響葉更小。本文以金風(fēng)兆瓦級發(fā)電機(jī)組為研究的對象，對其在發(fā)電過程中的變槳控制以及載荷優(yōu)化進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組；變槳控制；載荷優(yōu)化

引言：我國的風(fēng)力發(fā)電技術(shù)還存在不足之處，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)、機(jī)組動力學(xué)以及在使用過程中的故障診斷等都不太成熟。當(dāng)前我國的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)依賴于國外引進(jìn)，隨著未來風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的普及和民用化，國家將對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)和控制有更高的要求，對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制以及載荷優(yōu)化進(jìn)行研究對我國未來的發(fā)展有重要的意義。

一、 變槳控制的研究價值

在國際的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組研究中，變槳控制發(fā)電機(jī)組占據(jù)使用主流。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展過程中，最早使用的是定槳距的發(fā)電機(jī)，其制造簡單，但是風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率極低。為了提升風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率，當(dāng)前許多大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用了變槳式發(fā)電機(jī)組，可以在風(fēng)速變化時對槳葉角度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，可以保證電能轉(zhuǎn)化和輸出效率的穩(wěn)定。當(dāng)前研究較多的變槳方式是獨立變槳控制方式，即每個葉片都會在不同風(fēng)速以及不同位置的條件下對自身的角度等進(jìn)行調(diào)整，其調(diào)整參數(shù)包括葉根彎矩、葉尖位移等幾種。

二、 載荷的計算和優(yōu)化

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的研究過程中，對槳葉的運行載荷進(jìn)行研究對于提升機(jī)組的使用壽命和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有很大的影響。槳葉設(shè)計過程中需要考慮發(fā)電機(jī)組運行中受到的載荷，也需要考慮在高風(fēng)速等極短情況下的載荷，這樣才能較為完善的進(jìn)行槳葉的設(shè)計，提升變槳控制的實際效果。在國外的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計中，大部分機(jī)組都是在了解機(jī)組載荷以及運行情況的前提之下對如何降低日常運行載荷的控制措施進(jìn)行研究。國內(nèi)的研究人員通過對國外先進(jìn)技術(shù)的分析，并對我國當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組運行情況進(jìn)行分析之后得出，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組之中使用自適應(yīng)轉(zhuǎn)矩控制措施可以在運行中更為精確的對葉尖速比進(jìn)行跟蹤，并降低發(fā)電過程中葉片以及傳動鏈的載荷。這一技術(shù)提升了發(fā)電機(jī)組使用壽命，也具備較強(qiáng)的抵抗外界環(huán)境影響的能力。

三、 變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變槳控制研究

1、 基本參數(shù)

葉尖速比又稱尖速比一般定義為葉尖的線速度與輪轂處風(fēng)速的比值，葉尖速比和風(fēng)輪吸收功率密切相關(guān)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有超速的情況下，葉尖速比越大風(fēng)輪吸收功率就越大。因此，低速風(fēng)輪葉尖速比取值相對較小，高速風(fēng)輪葉尖速比取值相對較大。

風(fēng)能利用系數(shù)定義為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組從氣流中轉(zhuǎn)化的能量與風(fēng)輪掃掠面內(nèi)氣流所含動能的百分比值。風(fēng)能利用系數(shù)是評價風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動性能好壞的重要參數(shù)。不同的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)一般不同，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)也有差異，達(dá)里厄風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)為0.35，兩葉片高性能風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)能利用系數(shù)高達(dá) 0.47。但是，凡是并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的風(fēng)能利用系數(shù)都應(yīng)不小于 0.4。在每一個槳距角下都存在一個最大的風(fēng)功率系數(shù)，此時所對應(yīng)的葉尖速比即為該槳距角下的最佳葉尖速比。比較各個槳距角下的最大風(fēng)功率系數(shù)可知，在槳距角為 0°時風(fēng)功率系數(shù)最大，此時葉尖速比為 7.55，風(fēng)功率系數(shù)為 0.482。所以為了時風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以下時能夠更多的獲取風(fēng)能，在建立 5 MW 風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型時最初槳距角固定在 0°。

氣流作用在葉片上產(chǎn)生使葉輪轉(zhuǎn)動的力稱為升力，同時，氣流流過風(fēng)輪會對風(fēng)輪產(chǎn)生阻力，升力與阻力的比值稱為葉片翼型升阻比。一般來說，正常工作的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組都是在三維湍流風(fēng)中運行。一般把風(fēng)場風(fēng)速的脈動分量看成與時間和空間相關(guān)的平穩(wěn)個態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過程。在風(fēng)場中建立慣性坐標(biāo)系，從而風(fēng)場中每點的風(fēng)速都可以分解為橫向、縱向和垂向的脈動分量與平均風(fēng)速的線性疊加。湍流風(fēng)具有極強(qiáng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，所以經(jīng)常用功率譜密度函數(shù)來表示湍流風(fēng)。

2、控制研究

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行過程中會受到風(fēng)剪切以及湍流等情況的影響，風(fēng)剪切是指在垂直方向上風(fēng)速隨高速變化而變化的環(huán)境，一般將風(fēng)剪切分為垂直方向和水平方向，研究中僅僅考慮垂直風(fēng)剪切的情況，在不同的地質(zhì)環(huán)境和海拔條件下，風(fēng)剪切系數(shù)會出現(xiàn)差別，由于垂直風(fēng)剪切的影響，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運行中槳葉會受到不對稱的作用力，進(jìn)而造成故障，影響發(fā)電機(jī)組槳葉的使用壽命。為了避免風(fēng)剪切影響發(fā)電機(jī)組的長期運行，在實際使用中，技術(shù)人員會根據(jù)實際情況，通過獨立變槳控制策略來優(yōu)化發(fā)電機(jī)組槳葉的參數(shù)值，降低了非對稱湍流和風(fēng)剪切對槳葉的影響，使其載荷平衡。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運行過程中，閉環(huán)控制通常用于風(fēng)力機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)速控制和葉片槳距角控制，通常有如下幾種類型的控制器。① 定速失速調(diào)節(jié)：這種控制器下發(fā)電機(jī)直接與固定頻率的電網(wǎng)相連，一般在正常發(fā)電過程中沒有主動地空氣動力控制。② 定速變槳距調(diào)節(jié)：與定速失速調(diào)節(jié)不同的是，這種控制器在運行過程中，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時，有槳距調(diào)節(jié)功能，這能是風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以上能有穩(wěn)定的功率輸出。③ 變速失速調(diào)節(jié)：在高風(fēng)速時，利用對轉(zhuǎn)速的控制能力來降低葉輪轉(zhuǎn)速，目的是為了限制轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速，從而限定發(fā)電功率在所需要的水平，直到失速。④ 變速變槳距調(diào)節(jié)：該種控制器的作用是利用變頻器從電網(wǎng)固定頻率中分離出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，利用槳距控制限制高風(fēng)速區(qū)時的吸收功率。

一般來說，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最大風(fēng)功率跟蹤階段是在機(jī)組的額定風(fēng)速之下，在這一速度值之上，發(fā)電機(jī)組的變槳控制就會開始運行，其將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速設(shè)定在一個額定值，并根據(jù)風(fēng)速和電機(jī)轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速差來調(diào)整槳葉的槳距角等參數(shù)。在這種控制措施之中，一般需要額外的反饋信號來對其進(jìn)行調(diào)節(jié)，常用的反饋信號是葉片的方位角和葉片的葉根彎矩，控制元件根據(jù)這些參數(shù)調(diào)整發(fā)電機(jī)組槳葉的載荷，降低載荷不平衡對葉片的影響。

當(dāng)環(huán)境中的風(fēng)速高于發(fā)電機(jī)組的額定風(fēng)速時，發(fā)電機(jī)組就會開始進(jìn)行變槳控制，變槳的目的是避免載荷不平衡對槳葉的影響，降低葉片所受到的非對稱力，并降低風(fēng)能利用系數(shù)，使得輸出功率穩(wěn)定化。風(fēng)電機(jī)組的槳距角和風(fēng)速并不是簡單的線形關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速較高時，槳距角的變化會引起發(fā)電機(jī)組極大的轉(zhuǎn)矩波動，因此，在高風(fēng)速狀態(tài)下，要想更好地控制槳距角就需要進(jìn)行增益調(diào)度設(shè)計。

當(dāng)采用獨立變槳控制策略時，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三個葉片的槳距角存在差異，在發(fā)電過程中，葉片槳距角的變化也呈現(xiàn)為周期性的變化，風(fēng)剪切等因素的影響之下，葉片槳距角會隨著葉片轉(zhuǎn)動位置的不同發(fā)生變化。在風(fēng)力發(fā)電過程之中采用獨立變槳控制可以保證發(fā)電機(jī)組輸出功率的穩(wěn)定，也降低了在風(fēng)剪切等因素的影響之下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組槳葉、塔頂?shù)冉Y(jié)構(gòu)部分所產(chǎn)生的疲勞載荷，有效降低了元件的使用損傷。

結(jié)語：積極發(fā)展風(fēng)力發(fā)電事業(yè)有利于我國的可持續(xù)發(fā)展，經(jīng)過二十多年的發(fā)展，我國的風(fēng)電裝機(jī)量在世界居于前列。但是，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的技術(shù)限制，風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)化效率低，且在日常運行中極易出現(xiàn)故障，這些問題嚴(yán)重影響了風(fēng)力發(fā)電的進(jìn)行。隨著風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的缺乏對未來的阻力逐漸增加。在未來的發(fā)展中學(xué)習(xí)國外先進(jìn)技術(shù)，研究具有我國技術(shù)特色的變槳技術(shù)是發(fā)展的趨勢。

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