謝雙義，金 鑫，陳 佳

(1. 重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院， 重 慶 402247; 2. 重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重 慶 400030;3.重慶市水文水資源勘測局，重 慶 401147)

世界上許多國家都把不可再生能源作為主要的能量來源，如煤炭、石油、天然氣、核能等，然而燃燒化石燃料會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，且儲(chǔ)量畢竟有限。而可再生能源，比如風(fēng)能，綠色無污染，而且取之不盡，用之不竭。陸上風(fēng)力發(fā)電的使用已有超過10年的歷史，且已成為世界上增長最快的能源[1],其技術(shù)發(fā)展也相應(yīng)比較成熟。相比于陸上風(fēng)力發(fā)電來說，采用海上風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)主要有[2-3]：1)風(fēng)資源更豐富且風(fēng)力大小更均勻，相比于陸地上的風(fēng)來說其湍流強(qiáng)度和風(fēng)剪效應(yīng)較??；2)如果能在靠近海岸線的地方制造，海上風(fēng)力機(jī)尺寸的大小不受制于鐵路或公路運(yùn)輸；3)如果風(fēng)力機(jī)安裝在距海岸線足夠遠(yuǎn)的地方，則可以不用考慮風(fēng)力機(jī)帶來的視覺和噪聲方面的干擾；4)由于海域遼闊，海上風(fēng)力機(jī)不會(huì)占用陸地空間且不會(huì)與其他需占用陸地空間的項(xiàng)目沖突。

既然海上風(fēng)力發(fā)電有如此多的優(yōu)點(diǎn)，研究海上風(fēng)力機(jī)的控制策略也就成為了重點(diǎn)。海上風(fēng)力機(jī)的支撐平臺(tái)多采用漂浮式結(jié)構(gòu)[2-3]，其阻尼相對(duì)于陸上風(fēng)力機(jī)來說要小，因此，當(dāng)風(fēng)力機(jī)位于額定風(fēng)速以上時(shí)，采用何種控制策略就變得很重要。對(duì)陸上風(fēng)力機(jī)的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩控制策略效果的對(duì)比，A. D. Wright 等[4]進(jìn)行過研究，但對(duì)于海上漂浮式風(fēng)力機(jī)的恒功率和恒轉(zhuǎn)矩控制策略的效果對(duì)比，鮮有學(xué)者進(jìn)行過研究，尤其是分別對(duì)3種不同漂浮式結(jié)構(gòu)的風(fēng)力機(jī)來說研究者更少?；诖?，本文分別采用恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制策略對(duì)3種形式的漂浮式風(fēng)力機(jī)性能進(jìn)行研究。

1 漂浮式風(fēng)力機(jī)模型

在中國的海岸線上，水深超過30 m的地方蘊(yùn)藏著大量的風(fēng)能。當(dāng)水深由淺入深時(shí)，風(fēng)力機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)逐漸由固定式轉(zhuǎn)為漂浮式，如圖1[5]所示。在沒有進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析的情況下，Musial等[6]已經(jīng)證明了漂浮式平臺(tái)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)潛力。漂浮式的支撐結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)成多種結(jié)構(gòu)，比如可以設(shè)計(jì)成單柱式、張力腿式以及駁船式，如圖2所示。對(duì)于單柱式支撐結(jié)構(gòu)，可以使用繩纜使其固定，并用壓倉物使其質(zhì)心低于浮心，從而保持穩(wěn)定；對(duì)于張力腿式支撐結(jié)構(gòu)，可以通過箱體的浮力以及纜繩的張力來使其保持穩(wěn)定；而對(duì)于駁船式支撐結(jié)構(gòu)，可以通過纜繩使其固定，并通過與其接觸的水面區(qū)域來達(dá)到穩(wěn)定[7]。

圖1 風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)隨水深增加時(shí)的設(shè)計(jì)變化

圖2 3種漂浮式平臺(tái)

2 漂浮式支撐結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型

漂浮式支撐結(jié)構(gòu)一般可分為2部分：支撐風(fēng)力機(jī)主要部件的漂浮式平臺(tái)以及由纜繩組成的系泊系統(tǒng)。

2.1 漂浮式平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)模型

漂浮式平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)問題可分成3部分考慮[8-9]：輻射問題，可用式(1)表示；繞射問題，可用式(2)表示；水靜力學(xué)問題，可用式(3)表示。

(1)

(2)

(3)

(4)

2.2 系泊系統(tǒng)力學(xué)模型

系泊系統(tǒng)主要用來抑制波浪、風(fēng)以及洋流等外部力對(duì)漂浮式平臺(tái)的作用，從而使其保持穩(wěn)定。假設(shè)系泊系統(tǒng)是線性的[8-11]，則纜繩的力學(xué)表達(dá)式可以寫為

(5)

3 風(fēng)力機(jī)運(yùn)行區(qū)域劃分

變速變槳風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行區(qū)間一般可劃分為5個(gè)部分[12-14]，如圖3所示。

圖3 變速變槳風(fēng)機(jī)的運(yùn)行控制策略

當(dāng)風(fēng)速太小時(shí)，風(fēng)力機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)，位于區(qū)間Ⅰ；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)力機(jī)開始運(yùn)行在區(qū)間Ⅱ；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大時(shí)，風(fēng)力機(jī)就會(huì)運(yùn)行在區(qū)間Ⅲ上，在此區(qū)間內(nèi)風(fēng)力機(jī)葉輪功率系數(shù)達(dá)到最優(yōu)；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到額定值以上時(shí)，為了使風(fēng)力機(jī)的電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定值，就需要對(duì)葉片進(jìn)行變槳以便降低葉輪捕獲的風(fēng)功率，此時(shí)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行在區(qū)間Ⅴ上。從圖中可以知道，區(qū)間Ⅴ上有2種控制方法：一種是恒轉(zhuǎn)矩控制，即在控制時(shí)將電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求設(shè)為額定值，可用式(6)表示；另一種是恒功率控制，即在控制時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩需求無論怎樣變化，其與電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積始終等于電機(jī)額定功率，可用式(7)表示。

Tdem=Trat；

(6)

Tdem=Prat/ωgen。

(7)

另外，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩的平穩(wěn)過渡，在區(qū)域Ⅲ與區(qū)域Ⅴ之間有一個(gè)過渡區(qū)域，此區(qū)域的斜率與電機(jī)滑差率有關(guān)[4]。

4 仿真結(jié)果

文中所研究的漂浮式風(fēng)力機(jī)為美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)提供的5 MW風(fēng)力機(jī)組，輪轂高度為90 m，葉輪直徑126 m，額定風(fēng)速為11.4 m·s-1。3種漂浮式風(fēng)力機(jī)變槳比例積分(PI)參數(shù)如表1所示。

他們才畢業(yè)，沒有雄厚的家世也沒有可依傍的關(guān)系網(wǎng)，兩個(gè)人就是赤手博天下。但這不重要，有情飲水飽。溫簡相信，她和顧青的生活會(huì)慢慢地好起來。顧青做廣告設(shè)計(jì)，為了賺錢他也會(huì)做一些兼職設(shè)計(jì)，這需要晚上不停地熬夜趕拼，熬得雙眼布滿血絲。溫簡去買了豆?jié){機(jī)，想要每天給顧青榨新鮮的豆?jié){喝。

表1 3種漂浮式風(fēng)力機(jī)變槳PI參數(shù)

FAST軟件是美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室(national renewable energy laboratory, NREL)研發(fā)的一款用于風(fēng)機(jī)性能和載荷計(jì)算的綜合軟件。通過在FAST軟件中進(jìn)行建模并進(jìn)行仿真，外部激勵(lì)風(fēng)采用18 m/s的湍流風(fēng)，如圖4所示。海浪有效波高為5 m，海浪峰譜周期為12.4 s，如圖5所示。

圖4 18 m·s-1 的湍流風(fēng)

圖5 波浪高度隨時(shí)間變化的情形

當(dāng)風(fēng)速超過額定值時(shí)，為防止葉輪轉(zhuǎn)速超過限定值從而對(duì)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生破壞性影響，風(fēng)力機(jī)葉片要進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳎越档腿~輪從風(fēng)中吸收的能量，從而保證風(fēng)力機(jī)的安全運(yùn)行；因此風(fēng)力機(jī)葉片能否正確及時(shí)地變槳，對(duì)風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行至關(guān)重要。圖6示出分別使用恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制對(duì)3種漂浮式風(fēng)力機(jī)進(jìn)行仿真時(shí)的槳距角對(duì)比。

圖6 槳距角在恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況

表2 槳距角在恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制策略下的結(jié)果對(duì)比

從表2可以看出，在2種控制策略下無論哪種形式的風(fēng)力機(jī)，其葉片槳距角的變化基本一致。

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行過程中，電功率波動(dòng)越小對(duì)電網(wǎng)的沖擊就越小，就越有利于整個(gè)電網(wǎng)的安全；因此在風(fēng)力的運(yùn)行控制中要盡可能地降低電功率的波動(dòng)。圖7示出3種形式風(fēng)力機(jī)的電功率分別在恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖7 電功率在恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數(shù)單 柱式恒轉(zhuǎn)矩恒功率張力腿式恒轉(zhuǎn)矩恒功率駁船式恒轉(zhuǎn)矩恒功率電功率最大值/kW6 2455 3085 5905 2427 1175 607電功率最小值/kW3 9204 0854 5804 6202 1622 204電功率標(biāo)準(zhǔn)偏差/kW44819314667679309

從表3中可以看出，當(dāng)采用恒功率控制策略時(shí)，無論哪種形式的風(fēng)力機(jī)其電功率輸出都要比采用恒轉(zhuǎn)矩控制時(shí)穩(wěn)定很多。

對(duì)于漂浮式風(fēng)力機(jī)來說，其平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可以在很大程度上影響風(fēng)力機(jī)的疲勞載荷。漂浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可分為3種：縱搖、橫搖以及艏搖運(yùn)動(dòng)，如圖8所示，但最主要的是縱搖運(yùn)動(dòng)[9]。

圖8 漂浮式平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)

圖9示出3種漂浮式平臺(tái)的縱搖角在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖9 平臺(tái)縱搖角在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數(shù)單柱式恒轉(zhuǎn)矩恒功率張力腿式恒轉(zhuǎn)矩恒功率駁船式恒轉(zhuǎn)矩恒功率縱搖角最大值/( )6.156.840.460.4611.4711.090縱搖角最小值/( )-2.73-3.11-0.34-0.34-10.19-9.933縱搖角標(biāo)準(zhǔn)偏差/( )1.401.750.140.143.763.600

圖10表示3種漂浮式風(fēng)力機(jī)塔基處的前后彎矩在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制策略下的仿真情況。

圖10 塔基前后彎矩在恒轉(zhuǎn)矩和恒功率控制策略下的仿真情況

參 數(shù)單 柱式恒轉(zhuǎn)矩恒功率張力腿式恒轉(zhuǎn)矩恒功率駁船式恒轉(zhuǎn)矩恒功率塔基前后彎矩最大值/kNm131 900133 900108 200120 700318 300309 400塔基前后彎矩最小值/kNm-73 420-81 340-36 100-38 550-304 200-298 900塔基前后彎矩標(biāo)準(zhǔn)偏差/kNm32 90935 39320 30921 208113 333110 178

從表5可以看出，3種形式的風(fēng)力機(jī)在2種控制策略下其塔基處的前后彎矩變化趨勢基本一致。

5 結(jié)論

使用FAST軟件對(duì)3種形式的漂浮式風(fēng)力機(jī)處于額定風(fēng)速以上區(qū)間時(shí)，分別進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制對(duì)比研究，重點(diǎn)比較了槳距角、電機(jī)轉(zhuǎn)速、電功率、縱搖角以及塔基處前后彎矩的仿真情況，得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于3種形式的漂浮式風(fēng)力機(jī)，采用恒功率控制策略時(shí)其電功率輸出結(jié)果要優(yōu)于恒轉(zhuǎn)矩控制策略；

2)在2種控制策略下，3種形式風(fēng)力機(jī)的槳距角、電機(jī)轉(zhuǎn)速、塔基處前后彎矩以及平臺(tái)的縱搖角的仿真結(jié)果基本一致。

因此，如從降低電功率波動(dòng)方面考慮，采用恒功率控制策略效果要好一些。

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