文 | 王云濤，劉明超，胡明清

風電機組最小變槳角度的應用

文 | 王云濤，劉明超，胡明清

在全球資源日益稀缺的能量危機下，人們對可再生能源和清潔能源越來越重視，并且加以利用，風電機組應運而生。隨著技術(shù)水平和行業(yè)發(fā)展，機組的單機容量越來越大，而隨著單機容量的增大，對于機組各項性能要求也越來越高，可靠性越來越高，購買者希望機組能夠最大限度地吸收風能，將其轉(zhuǎn)化為電能，創(chuàng)造經(jīng)濟效益。

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，使機組在不同運行工況下能夠獲取最大的風能利用系數(shù)。下面介紹風電機組中最小變槳角度設(shè)定的方法，來確保機組在不同風速下獲取最大風能利用系數(shù)。

風電機組運行區(qū)域

根據(jù)不同風速，風電機組運行控制大致可分為圖1所示的4個運行區(qū)域，即啟動區(qū)、最大風能追蹤區(qū)、恒轉(zhuǎn)速區(qū)、和恒功率區(qū)。

啟動區(qū)（S0-S1）：

風速小于切入風速，發(fā)電機與電網(wǎng)脫網(wǎng)，機組不發(fā)電。

最大風能追蹤區(qū)（S1-S4）：

機組并網(wǎng)發(fā)電后，機組輸出功率與電機轉(zhuǎn)速有關(guān)，控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)機組運行在最優(yōu)Cp曲線上，實現(xiàn)最大風能的追蹤。

恒轉(zhuǎn)速區(qū)（S4）：

發(fā)電機轉(zhuǎn)速到達設(shè)定值，但機組輸出功率未達到額定功率，為了保護機組不受損壞，不再進行最大風能追蹤控制，而是通過槳距控制將轉(zhuǎn)速限制在相應設(shè)定值上。

恒功率區(qū)（S5-S6）：

隨著風速的增大，機組輸出的機械功率不斷增加，此時發(fā)電機和功率變換器將達到其功率極限，必須通過變槳距控制對機組功率加以限制，使風電機組處于恒轉(zhuǎn)速恒功率運行狀態(tài)。

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

最大風能追蹤機理

一、風能特性

風電機組輸出機械功率與風速有如下關(guān)系：

式中：ρ為空氣密度，單位為kg/m3；

ν為上風向風速，單位為m/s；

Cp為風能利用系數(shù)；

A為機組槳葉掃掠面積，單位為m2；

A＝πR2，R為風輪半徑。

風能利用系數(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），當槳距角和葉尖速比發(fā)生改變，Cp值隨之變化。圖2為某機型的Cp(λ ， β)曲線圖。

二、最佳風能利用系數(shù)

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

為了不用風速控制風電機組，可以修改功率表達式，以消除對風速的依賴關(guān)系，按已知的Cpmax和λopt計算Popt。根據(jù)λ＝ωR/ν，其中ω為葉輪角速度，R為葉片半徑，ν為風速；如果用轉(zhuǎn)速替代風速，則可以導出功率是轉(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)機組在某個轉(zhuǎn)速下運行，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對應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，最優(yōu)Cp對應的變槳角度為-1°并非是傳統(tǒng)使用的0°。

仿真效果

表1 λ-變槳與變槳角度對應表

表2 風速與轉(zhuǎn)速對應表

就Bladed仿真來說，若風電機組為雙饋機型，選擇某機型某葉片，使用Bladed 軟件進行葉片數(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，對應的變槳角度是0°，葉尖速比為9.92；若設(shè)定該數(shù)值為最佳葉尖速比，風速與最優(yōu)轉(zhuǎn)速關(guān)系的情況下，會得到最佳的功率輸出；表2為該機型風速與轉(zhuǎn)速對應表。

該雙饋機型風電機組發(fā)電機轉(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風速時偏離最佳的發(fā)電葉尖速比；此時若3m/s的風速對應的發(fā)電機轉(zhuǎn)速為1100rpm時，葉尖速比為：λ＝16.19，此時的Cp＝0.3267.

若此時最小變槳角度設(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，在機組運行過程中動態(tài)改變最小變槳角度是非常有意義的。

若風電場的風速分布在3m/s－6m/s之間，首先要考慮變速箱的變速比，另外要考慮風電機組的最小變槳角度，對提高發(fā)電量是有幫助的。所以，在機組中應當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尋優(yōu)的控制算法實現(xiàn)不同風速下最小變槳的角度的設(shè)定，如圖4為某機型的最佳變槳曲線。

結(jié)語

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

（作者單位：青島華創(chuàng)風能有限公司）