吳祥輝，劉立群，趙曉博，劉 曉，董雅睿

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

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H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳控制策略研究

吳祥輝，劉立群，趙曉博，劉 曉，董雅睿

(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)

針對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)自啟動能力差和風(fēng)能利用效率低的問題，提出了自動變槳控制策略，并搭建了H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗平臺?；谌~素理論對葉片進(jìn)行分析，得出了葉尖速比λ<1情況下的變槳規(guī)律。將定槳距模型和自動變槳距模型進(jìn)行對比，結(jié)果表明：采用自動變槳距方案可以有效的提高垂直軸風(fēng)力機(jī)的自啟動能力和風(fēng)能利用效率。

自動變槳；H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)；葉素理論

風(fēng)力發(fā)電機(jī)是風(fēng)能利用的主要設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電機(jī)有兩種基本形式：水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。其中，水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)以風(fēng)能利用率高得到人們的廣泛關(guān)注，并且已有大規(guī)模的發(fā)展，但重心不穩(wěn)、維修不便、噪聲大等缺點始終是其未能克服的瓶頸問題。與水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)相比，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有安裝成本低、維修方便、重心低、不需要偏航裝置、噪聲小等優(yōu)點，特別是在城市中更容易與建筑物集成的特點，使其擁有很大的研究潛力和價值[1]。但是垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)也有其自身的缺點，一是自啟動性能比較差，二是風(fēng)能利用效率低于水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。為了克服上述缺點，變槳距技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過改變垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的槳距角來控制葉片攻角的變化，從而改善葉片的氣動性能，達(dá)到提高風(fēng)能利用率的目的[2-3]。目前，垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)以定槳距結(jié)構(gòu)為主，很大程度上限制了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。本文研究了垂直軸風(fēng)機(jī)的數(shù)學(xué)建模和機(jī)構(gòu)設(shè)計，提出了H型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動變槳控制策略，提高了垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自啟動能力，通過MATLAB仿真對比了定槳距和變槳距對垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)能利用率的影響。并且在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計上，利用步進(jìn)電機(jī)的精確性和渦輪蝸桿減速機(jī)的自鎖功能使垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變槳更加精確。

1 自動變槳距垂直軸風(fēng)力機(jī)原理

1.1 風(fēng)機(jī)參數(shù)和工作原理

圖1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of VAWT

表1 垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)參數(shù)Tab.1 The prototype and parameters of VAWT

自動變槳距垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)如圖1所示。將風(fēng)速風(fēng)向儀所測得的風(fēng)速信號V0和旋轉(zhuǎn)編碼器測得的方位信號θ，槳距角信號β和葉尖速信號U傳輸給控制器DSP，由控制器根據(jù)這些數(shù)據(jù)按照一定的函數(shù)關(guān)系計算出每個葉片此時的最佳槳距角。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)控制器發(fā)出來的反饋信號以及旋轉(zhuǎn)編碼器反饋的槳距角信號，與渦輪蝸桿減速機(jī)互相配合來驅(qū)動葉片使其處于最佳的攻角位置，構(gòu)成一個實時變槳系統(tǒng)[4-5]。垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)在運(yùn)行的過程中會按照所設(shè)計的變槳距方案實時控制每個葉片的槳距角，從而達(dá)到提高風(fēng)力機(jī)自啟動能力和風(fēng)能利用率的目的。

自動變槳距垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)的特點：風(fēng)機(jī)整體采用鋼架結(jié)構(gòu)，制造與運(yùn)輸方便。發(fā)電裝置和控制板安裝在風(fēng)機(jī)底部，便于安裝與維護(hù)。風(fēng)機(jī)主軸、葉輪和葉輪支架、動力輸出設(shè)備、發(fā)電機(jī)輸出裝置和控制器裝置可相互分離，使風(fēng)機(jī)的設(shè)計、加工、安裝更加方便。

1.2 風(fēng)機(jī)獨立變槳機(jī)構(gòu)

風(fēng)速風(fēng)向儀：如圖2(a)外殼為鋁合金材材料，具有重量輕，起動轉(zhuǎn)矩小，慣性低，能真實反應(yīng)風(fēng)速風(fēng)向信息的優(yōu)點。風(fēng)速的測定與采樣傳感器的脈沖數(shù)和采樣時間有關(guān)，風(fēng)向的測定則由傳感器的輸出電壓決定，不同的電壓值代表了不用的方向。

旋轉(zhuǎn)編碼器：如圖2(b)所示，通過內(nèi)部固定電路，將轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動所產(chǎn)生的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，從而測出葉片當(dāng)前所處的具體位置。為了準(zhǔn)確測量風(fēng)輪轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的角度，編碼器必須固定不動，所以將該編碼器固定在轉(zhuǎn)軸的頂端與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相連，固定在頂端。

步進(jìn)電機(jī)和渦輪蝸桿減速器：如圖2(c)所示步進(jìn)電機(jī)將控制板發(fā)出的脈沖信號變換成角位移來控制轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。渦輪蝸桿減速機(jī)具有反向自鎖功能，能夠有效減小葉片的轉(zhuǎn)動慣量[6]，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)帶動葉片轉(zhuǎn)動到達(dá)特定區(qū)域時，能夠使葉片停止不動，達(dá)到槳距角β保持不變的目的。

圖2 變槳裝置Fig.2 Variable pitch mechanism

2 基于葉素理論的空氣動力學(xué)模型分析

葉素理論模型是風(fēng)機(jī)葉片簡化后的模型，葉素為風(fēng)機(jī)葉片沿展向細(xì)分后的微段。忽略展向作用在相鄰葉素上的力相互影響，將作用在葉素上的氣動力元沿展向積分，得出作用在葉輪上的切向轉(zhuǎn)矩力與軸向推力[7-10]。

圖3為垂直軸風(fēng)力機(jī)槳葉速度三角形矢量圖，Rω是葉輪的旋轉(zhuǎn)速度，V0為風(fēng)速，W為來流風(fēng)速與葉片切向速度的矢量合，稱為相對風(fēng)速，攻角是相對風(fēng)速與葉片弦線的夾角，用α表示。

當(dāng)風(fēng)輪靜止時，風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度為零，即Rω=0 m/s.此時相對風(fēng)速與來流風(fēng)速等價，θ=180°和θ=0°處的葉片只受到法向力的作用，不產(chǎn)生使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的切向力。而θ=-90°和θ=90°處的兩個葉片與風(fēng)向平行，幾乎不受風(fēng)的作用力，所以也沒有產(chǎn)生驅(qū)動風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的切向力。以上即為垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)自啟動性能差的主要原因之一。

當(dāng)風(fēng)輪在氣流的影響下轉(zhuǎn)動時，在θ=-180°和θ=0°這兩個特殊位置處同樣兩個葉片只受法向力的作用，氣流仍然不產(chǎn)生使風(fēng)輪轉(zhuǎn)動的切向力。通過圖3可知各個位置的攻角變化情況，葉片的方位角θ處在-180°～0°時，氣流對葉片做正功，產(chǎn)生使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的正切向力；葉片的方位角處在0°～180°時，氣流對葉片做負(fù)功，產(chǎn)生阻礙風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的負(fù)切向力。分析可得，攻角的變化范圍過大，將造成切向力大幅震蕩，從而使風(fēng)機(jī)的運(yùn)行不穩(wěn)定，降低了風(fēng)能利用率。通過改變?nèi)~片的槳距角，得到最佳攻角，則可以有效解決這一問題。

圖3 槳葉速度三角形矢量圖Fig.3 Diagram of blade speed vector

3 自動變槳風(fēng)機(jī)變槳規(guī)律研究

由圖3矢量三角形可知：

W=V0-U

(1)

式中：W─相對風(fēng)速；V0─風(fēng)速；U─葉片旋轉(zhuǎn)的線速度，U=Rω.

將W和V0分解為切向和法向兩個方向可得：

Wt=Rω-V0sinθ

(2)

Wn=V0conθ

(3)

Wt和Wn分別為相對風(fēng)速沿葉片旋轉(zhuǎn)切線方向的分量和軸向方向的分量。

攻角可以表示為：

(4)

α─葉片攻角；ω─葉片旋轉(zhuǎn)角速度；R─葉片旋轉(zhuǎn)半徑；λ─葉尖速比。

風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)的過程中，氣流產(chǎn)生的反作用力可以分解為兩個方向，一個是與相對風(fēng)速W平行的阻力，用D表示；另一個是與阻力垂直的升力，用L表示[7]。

(5)

(6)

ρ─空氣密度；C1─升力系數(shù)；Cd─阻力系數(shù)；c─葉片弦長。

通過流體力學(xué)FLUENT6.3軟件仿真得出平板翼型的升力系數(shù)和阻力系數(shù)曲線，根據(jù)該曲線擬合得出[15]：c1=sin2α，Cd=2sin2α.

根據(jù)圖4受力分析，計算出法向力系數(shù)Cn和切向力系數(shù)Ct：

Cn=C1cosα+Cdsinα

(7)

Ct=C1sinα-Cdcosα

(8)

將葉片所受到的升力與阻力按圖4中n-t坐標(biāo)系分解可以得出葉片此時受到的切向力dFt和法向力dFn：

(9)

(10)

Cn─法向力力系數(shù)；Ct─切向力力系數(shù)。

風(fēng)力機(jī)由4片葉片組成，則整個風(fēng)輪所受的切向力為：

(11)

P=FtU

(12)

風(fēng)能利用系數(shù)為：

(13)

圖4 葉片受力分析圖Fig.4 Force analysis on blade

圖5是根據(jù)公式(4)得出的不同方位角下葉片攻角變化曲線。當(dāng)選用定槳距方式時，葉片的攻角急劇變化，在某些時刻甚至大于失速攻角，尤其在λ<1時攻角變化的范圍達(dá)到了-90°～90.當(dāng)攻角增大到失速攻角時，氣流在葉片的表面開始分離，升力系數(shù)達(dá)到峰值，超過失速攻角后，升力系數(shù)開始下降，阻力系數(shù)上升。攻角的劇烈變化降低了風(fēng)力機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩，所以傳統(tǒng)的垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動性能不佳。

圖5 定槳距模式葉片攻角變化曲線Fig.5 The curve of attack ankle with fixed blade ankle

通過改變?nèi)~片的攻角使葉片的升阻比達(dá)到最大，來增加切向力矩，可使風(fēng)力機(jī)的自啟動能力顯著提高。攻角是隨著相對風(fēng)速W和葉片方位角θ的變化而不斷變化的，基于葉素理論，確定葉片最優(yōu)變槳規(guī)律的程序流程圖，如圖6所示，其基本原理為：在風(fēng)速V0(假設(shè)V0=10 m/s)、尖速比λ及其他風(fēng)輪參數(shù)確定的情況下，求解方位角0°～360°范圍內(nèi)不同槳距角下的扭矩力，通過比較得出最大扭矩力，從而確定任意方位角下的最佳槳距角[8-14]。

圖7為變槳規(guī)律示意圖，槳距角的變化量等于風(fēng)輪方位角變化量的一半，β=-θ/2+90°即風(fēng)輪每逆時針轉(zhuǎn)動1°，步進(jìn)電機(jī)帶動葉片順時針轉(zhuǎn)動0.5°，這種變槳方式稱為同步變槳。在本文研究中，風(fēng)力機(jī)的風(fēng)輪共有四個葉片，選用易于加工的平板翼型，其對稱性可使得研究大大簡化。

在風(fēng)輪的上風(fēng)向：由于λ<1，風(fēng)力做正功，所以要增大葉片的受力面積使風(fēng)輪獲得最大的切向力Ft進(jìn)而提高垂直軸風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用率，F(xiàn)t=F1sinβ-Fdcosβ.方位角為0°時，槳距角為90°時Ft最大；方位角為90°時，槳距角為45°時Ft最大；方位角為-90°時，槳距角為-45°時Ft最大。在風(fēng)輪的下風(fēng)向：由于風(fēng)與風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)軌跡方向相反，風(fēng)力做負(fù)功，所以應(yīng)減小葉片的受力面積，理想狀態(tài)是通過變槳裝置使相對風(fēng)速W與葉片弦線時刻保持平行，此時風(fēng)在下風(fēng)向?qū)︼L(fēng)輪做的負(fù)功為零，將使風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能利用率顯著提高。

圖6 變槳規(guī)律流程圖Fig.6 Flow chart for rules of blade pitch

圖7 自動變槳規(guī)律Fig.7 Automatic variable pitch rules

通過流程圖得出的變槳距規(guī)律，結(jié)合公式(12)和公式(13)通過在MATLAB中仿真對定槳距模式和自動變槳距模式在不同尖速比下的風(fēng)能利用系數(shù)進(jìn)行對比，如圖8.可知垂直軸風(fēng)力機(jī)采用變槳距方案比定槳距方案更易于自啟動且風(fēng)能利用率更高，其最佳運(yùn)行尖速比范圍是0.48～0.63.

圖8 定槳距模式與自動變槳距模式風(fēng)能利用系數(shù)對比Fig.8 The comparison of Cp between fixed pitch VAWT and variable pitch VAWT

4 結(jié) 論

本文的主要目標(biāo)是提出一種能夠有效提高垂直軸風(fēng)力機(jī)自啟動能力和風(fēng)能利用率的自動變槳控制策略。首先對比定槳距方案驗證了自動變槳控制策略的優(yōu)越性。同時設(shè)計了一個H型垂直軸風(fēng)力機(jī)，采用獨立變槳機(jī)構(gòu)，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本降低。如何能夠進(jìn)一步完善風(fēng)力機(jī)變槳距數(shù)學(xué)模型以及提高變槳精度和穩(wěn)定性是下一步的研究方向。

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Research on Varible-pitch Control Strategy for H-type Vertical Axis of Wind Turbine

WU Xiang-hui，LIU Li-qun，ZHAO Xiao-bo，LIU Xiao，DONG Ya-rui

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The poor self-starting performance and the low efficiency of electricity generation have restricted the development of H-type vertical axis of wind turbine all the time.The automatic variable pitch scheme has been investigated to solve the above problems.In addition，experiments have been done on the H-type vertical axis of wind turbine.First，according to the theoretical analysis of blade element，the variable pitch laws when λ<1 have been obtained.Second，the performances of variable pitch model and fixed pitch model are compared.The improved self-starting performance and system efficiency by using variable-pitch laws were validated by experimental results.

automatic variable pitch，H-type vertical axis wind turbine，blade element theory

2015-04-17

中國博士后基金第7批特別資助項目(2014T70234)；中國博士后基金第53批特別資助項目(2013M530895)

吳祥輝(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電。

1673-2057(2015)06-0441-05

TK83

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.006