丁 祥 蘭志杰

（廣東明陽風(fēng)電產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 廣東 中山 528437）

風(fēng)電作為一種可再生的綠色能源當(dāng)前在電網(wǎng)中所占的比例越來越大?，F(xiàn)有的變速運(yùn)行風(fēng)力機(jī)以其理論上能最大限度地實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的優(yōu)點(diǎn)正在并一直備受國內(nèi)外學(xué)者的青睞，在過去的幾十年里發(fā)展出了許多理論，諸如最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT算法等，也有一些有關(guān)轉(zhuǎn)換效率的理論研究文[1]證明變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比恒速系統(tǒng)效率要高38%。然而到目前為止也沒有實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C明某個(gè)系統(tǒng)能一直捕獲最大風(fēng)能，這說明了風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)本身具有一種不確定性。

目前，全國范圍內(nèi)可利用的低風(fēng)速資源面積約占全國風(fēng)能資源區(qū)的68%，且均接近電網(wǎng)負(fù)荷的受端地區(qū)。在風(fēng)能資源較好地區(qū)的風(fēng)電開發(fā)受限于并網(wǎng)瓶頸而不斷“棄風(fēng)”的背景下，低風(fēng)速區(qū)風(fēng)場開發(fā)逐漸引起各方關(guān)注。因此，進(jìn)一步推進(jìn)了機(jī)組發(fā)電性能的提升，為低風(fēng)速風(fēng)場客戶創(chuàng)造了價(jià)值就顯得尤為迫切。低風(fēng)速機(jī)組由于其額定風(fēng)速低，若要達(dá)到與普通機(jī)組同樣的功率輸出，就必須加大葉片以捕獲更多的風(fēng)能。

受多種因素的影響，傳統(tǒng)變速恒頻變槳矩風(fēng)力發(fā)電機(jī)組往往沒有運(yùn)行在最佳CP-λ曲線上，也就是說未能真正實(shí)現(xiàn)理論上的最大風(fēng)能捕獲，盡管應(yīng)用了類似最大功率點(diǎn)跟蹤MPPT算法。

本文提出的低風(fēng)速微調(diào)槳葉提升發(fā)電量技術(shù)能在不增加成本的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮葉片空氣動(dòng)力學(xué)固有性能，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在低于額定轉(zhuǎn)速時(shí)，通過槳葉調(diào)節(jié)維持最佳葉尖速比，追蹤最大風(fēng)能利用系數(shù)來實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，從而達(dá)到提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量的目的。

1 微調(diào)槳葉控制算法

1.1 風(fēng)能利用系數(shù)CP

通常，我們將風(fēng)力渦輪機(jī)從自然風(fēng)能中吸取能量的大小程度用風(fēng)能利用系數(shù)CP來表示：

式中，PM為風(fēng)力渦輪實(shí)際獲得的軸功率；ρ為空氣密度；A為葉輪的掃風(fēng)面積；υ為葉輪的上游風(fēng)速。

CP表示了風(fēng)電機(jī)組將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成電能的轉(zhuǎn)換效率。根據(jù)貝茲（Betz）理論可以推導(dǎo)得出理論最大值為：CPmax=0.593。風(fēng)能利用系數(shù)大小與葉尖速比和槳葉節(jié)距角有關(guān)系，如圖1所示。

圖1 葉片廠家提供的CP-λ曲線示意圖

一個(gè)機(jī)組的Cpmax大小在很大程度上取決于葉片的翼型，葉片的工藝等，而一旦葉片成形后，Cpmax將無法改變。一般情況下，Cpmax取值范圍為[0.45,0.49]。

1.2 最佳CP推導(dǎo)

為了表示風(fēng)輪在不同風(fēng)速中的狀態(tài)，用葉片的葉尖圓周速度（線速度）與風(fēng)速之比來衡量，稱為葉尖速比，用λ來表示如下：

式中，ω為葉輪角速度，R為葉輪半徑，N為葉輪轉(zhuǎn)速，n為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，G為齒輪箱變比，υ為風(fēng)速。

為了使機(jī)組產(chǎn)生最大的機(jī)械功率，應(yīng)使CP達(dá)到其最大值CPmax不變，當(dāng)風(fēng)速變化時(shí)就必須使機(jī)組的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速正比變化，即有多大風(fēng)速才能驅(qū)動(dòng)多大的轉(zhuǎn)速，并保持一個(gè)恒定的最佳葉尖速比λopt，由（2）式可得

因而，由式（1）可得機(jī)組最大輸出功率：

根據(jù)λ與CP的關(guān)系及CP與PM之間關(guān)系，在風(fēng)速固定時(shí)，不同的轉(zhuǎn)速即對(duì)應(yīng)不同的λ，對(duì)應(yīng)不同的CP，對(duì)應(yīng)不同的PM，若設(shè)定不同的風(fēng)速，就可以得到機(jī)組在不同風(fēng)速下PM與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，機(jī)組輸出的PMmax與風(fēng)速的三次方成正比，也與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。

因此，在按λopt或按PMmax運(yùn)行的情況下，機(jī)組在各種風(fēng)速下均可以保持CPmax不變，有下列關(guān)系式成立：

式中，TW為葉輪轉(zhuǎn)矩，Ω為葉輪角速度，TG為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，n為發(fā)電機(jī)角速度，在ρ不變時(shí)為常數(shù)。

由式（6）可知，Kopt受到空氣密度ρ的影響，當(dāng)ρ變化時(shí)，若繼續(xù)維持λopt運(yùn)行，則需動(dòng)態(tài)調(diào)整Kopt跟上ρ的變化，實(shí)現(xiàn)CPmax。

1.3 追蹤最佳CP

當(dāng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行在低于額定轉(zhuǎn)速區(qū)間時(shí)，通過調(diào)節(jié)槳葉槳距角來控制葉輪轉(zhuǎn)速，維持λopt，追蹤C(jī)Pmax來捕獲最大的風(fēng)能，從而提高風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)發(fā)電功率。由圖1可知，為了實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，成功追蹤C(jī)Pmax，就要將λ區(qū)間分段處理，取每一段λ區(qū)間對(duì)應(yīng)的最大風(fēng)能利用系數(shù)曲線，此時(shí)對(duì)應(yīng)的槳葉角度即為所調(diào)。理論上，要將λ區(qū)間分為無窮小段，每一微元段對(duì)應(yīng)的風(fēng)能利用系數(shù)為此段最大值，對(duì)應(yīng)的槳葉角度也是去窮多個(gè)。事實(shí)上，槳葉角度的調(diào)節(jié)是需要一定的響應(yīng)時(shí)間和足夠的動(dòng)作時(shí)間，因而實(shí)際上為了防止葉片的頻繁變槳給變槳系統(tǒng)帶來的不良影響，我們一般將λ區(qū)間分為3段來處理。

設(shè)定三個(gè)槳葉工作區(qū)間，λn1和λn2分別為槳距角分別為α1、α2和α3時(shí)對(duì)應(yīng)CP-λ曲線的交點(diǎn)。根據(jù)λn1和λn2來劃分槳葉實(shí)際工作區(qū)間，即

如圖2所示，在λ＞λn1時(shí)，將槳距角調(diào)節(jié)到α2讓機(jī)組CP從曲線 1運(yùn)行到曲線 2上以獲得更大的CP；同樣，在λ＞λn2時(shí)，將槳距角調(diào)節(jié)到α3讓機(jī)組CP從曲線2運(yùn)行到曲線3上以獲得更大的CP，從而達(dá)到提升機(jī)組發(fā)電量的目的。

圖2 典型CP-λ曲線

由于兩個(gè)λ值的臨界點(diǎn)的存在，若是風(fēng)速較小且不穩(wěn)定，λ值在小區(qū)間[-0.5, 0.5]內(nèi)不停變動(dòng)，導(dǎo)致頻繁變槳，所以必須選取合理的λ值，真正識(shí)別是否需要進(jìn)行變槳調(diào)節(jié)。

為避免槳葉頻繁動(dòng)作，需在CP-λ曲線的交點(diǎn)λn1和λn2處設(shè)置一個(gè)回滯區(qū)間值。

2 仿真分析

為了驗(yàn)證控制策略的可靠性和有效性，以明陽MY1.5型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為對(duì)象搭建模型進(jìn)行仿真分析，額定功率1500kW，額定電壓690V，額定轉(zhuǎn)速1750r/min，切入風(fēng)速3m/s，切出風(fēng)速25m/s，取標(biāo)準(zhǔn)空氣密度（ρ=1.225kg/m3），額定風(fēng)速10.8m/s，仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。

由不同槳距角對(duì)應(yīng)的CP-λ曲線可知，當(dāng)風(fēng)速ν＜5m/s時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速Ω不變，則風(fēng)速v越小，葉尖速比λ越大，此時(shí)大槳距角對(duì)應(yīng)的CP反而變大。根據(jù)當(dāng)前風(fēng)速值調(diào)整最佳槳距角（通常情況下為0°）為[0°, 1.5°]。

如圖3所示，仿真結(jié)果表明當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在ν＜5m/s風(fēng)速段時(shí)，槳葉角度α[0°, 1.5°]越大，功率曲線越好，槳葉角度從0°調(diào)到0.5°提升效果較好，提升比例約為3%，再繼續(xù)增大槳葉角度α，功率提升效果并不明顯。

如圖4所示，仿真結(jié)果表明當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在風(fēng)速8＜v＜11m/s風(fēng)速段時(shí)，槳葉角度[-1.5°, 0°]越小，功率曲線越好，槳葉角度從 0°調(diào)到-0.5°提升效果較好，提升比例約為3%，再繼續(xù)減小槳葉角度α，功率提升效果并不明顯。

圖3 風(fēng)速（ν＜5m/s）微調(diào)槳葉功率曲線對(duì)比

圖4 風(fēng)速（8m/s ＜ν＜11m/s）微調(diào)槳葉功率曲線對(duì)比

3 現(xiàn)場測試及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證控制算法在實(shí)際運(yùn)行中對(duì)發(fā)電量的提升效果，我們分別在華能南方某風(fēng)場和大唐北方某風(fēng)場進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

南方某風(fēng)場選用66臺(tái)明陽MY1.5S型南方抗臺(tái)風(fēng)型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，選取其中的3臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

圖5 南方某風(fēng)場測試前后功率曲線對(duì)比

初步測試結(jié)果表明發(fā)電量提升比例大約為2.22%。

北方某風(fēng)場選用267臺(tái)明陽風(fēng)電MY1.5Se型北方低溫型風(fēng)電機(jī)組，選取其中的4臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)場測試。

圖6 北方某風(fēng)場測試前后功率曲線對(duì)比

初步測試結(jié)果表明發(fā)電量提升比例大約為2.57%。

4 結(jié)論

本文針對(duì)低風(fēng)速地區(qū)風(fēng)電場提升發(fā)電量的緊迫需求，制定了通過微調(diào)槳葉來捕獲最大風(fēng)能的控制策略，并通過仿真分析和現(xiàn)場測試驗(yàn)證了該控制策略的可靠性和有效性，為低風(fēng)速地區(qū)發(fā)電量提升技術(shù)的研究提供了參考。

[1]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2006.

[2]ZINGER D S, MUJADI E.Annualized wind energy improvement using variable speeds[J].IEEE Trans.on Ind.Appl, 1997, 33： 1444-1447.

[3]劉劍, 李建林, 潘磊, 等.最大風(fēng)能捕獲策略研究[A].中國電工技術(shù)學(xué)會(huì)電力電子第十屆年會(huì), 西安,2006.9： 24-26.

[4]劉其輝, 賀益康, 趙仁德.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大風(fēng)能追蹤控制[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2003,27(20)： 62-67.