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(jì)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(dòng)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(jià)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(shí)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(dú)立變槳控制方式，即每個(gè)葉片都會(huì)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(jì)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(yùn)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(jì)過程中需要考慮發(fā)電機(jī)組運(yùn)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(jì)，提升變槳控制的實(shí)際效果。在國外的風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)中，大部分機(jī)組都是在了解機(jī)組載荷以及運(yùn)行情況的前提之下對如何降低日常運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(dòng)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(dòng)能的百分比值。風(fēng)能利用系數(shù)是評價(jià)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)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(gè)槳距角下都存在一個(gè)最大的風(fēng)功率系數(shù)，此時(shí)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(gè)槳距角下的最大風(fēng)功率系數(shù)可知，在槳距角為 0°時(shí)風(fēng)功率系數(shù)最大，此時(shí)葉尖速比為 7.55，風(fēng)功率系數(shù)為 0.482。所以為了時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)在額定風(fēng)速以下時(shí)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(shí)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(dòng)的力稱為升力，同時(shí)，氣流流過風(fēng)輪會(huì)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(yùn)行。一般把風(fēng)場風(fēng)速的脈動(dòng)分量看成與時(shí)間和空間相關(guān)的平穩(wěn)個(gè)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(diǎn)的風(fēng)速都可以分解為橫向、縱向和垂向的脈動(dòng)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(yùn)行過程中會(huì)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(huì)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(yùn)行中槳葉會(huì)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(yùn)行，在實(shí)際使用中，技術(shù)人員會(huì)根據(jù)實(shí)際情況，通過獨(dú)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(yùn)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(dòng)地空氣動(dòng)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(yùn)行過程中，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，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(shí)，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(shí)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(huì)開始運(yùn)行，其將風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速設(shè)定在一個(gè)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(shí)，發(fā)電機(jī)組就會(huì)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(shí)，槳距角的變化會(huì)引起發(fā)電機(jī)組極大的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，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(jì)。

當(dāng)采用獨(dú)立變槳控制策略時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組三個(gè)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(huì)隨著葉片轉(zhuǎn)動(dòng)位置的不同發(fā)生變化。在風(fēng)力發(fā)電過程之中采用獨(dú)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(yùn)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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