提高切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能及載荷的影響分析*

文|陳建強(qiáng)，刁爭(zhēng)春，劉廣東，李釩

提高切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能及載荷的影響分析*

文|陳建強(qiáng)，刁爭(zhēng)春，劉廣東，李釩

風(fēng)能作為一種清潔能源，近些年越來越受到人們的關(guān)注。發(fā)電量直接影響到風(fēng)電場(chǎng)的收益，隨著大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備制造水平的不斷提高，風(fēng)電機(jī)組的故障率已趨于平穩(wěn)，提升風(fēng)能資源的利用率就成為提高發(fā)電量的重要途徑。

關(guān)于在正常風(fēng)速運(yùn)行范圍內(nèi)提升發(fā)電量的研究，國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)表了大量文獻(xiàn)，本文不再贅述。所謂風(fēng)速運(yùn)行范圍，是指基于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷的要求，設(shè)定的3－4m/s切入風(fēng)速與25m/s切出風(fēng)速之間的風(fēng)速范圍。通常機(jī)組如果超過切出風(fēng)速就會(huì)自動(dòng)停機(jī)。對(duì)于風(fēng)能資源豐富的“三北”地區(qū)，很多風(fēng)電場(chǎng)全年在25－30m/s的風(fēng)速占比約為10%－15%。如果通過優(yōu)化控制策略，能夠保證風(fēng)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行在這一風(fēng)速段，那么即便輸出功率低于額定值也能大幅度增加高風(fēng)速段風(fēng)能資源的利用率，從而有效提升機(jī)組發(fā)電量。判斷機(jī)組運(yùn)行在高于切出風(fēng)速工況是否可行，重點(diǎn)要分析提高切出風(fēng)速對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件極限載荷與疲勞載荷的影響。

本文依據(jù)動(dòng)量-葉素（BEM）理論，推導(dǎo)出影響氣動(dòng)載荷的主要因素，提出高于切出風(fēng)速運(yùn)行的控制策略。通過載荷計(jì)算軟件Bladed軟件，與傳統(tǒng)控制策略分別就發(fā)電量、功率曲線、關(guān)鍵部件極限載荷和疲勞載荷等性能指標(biāo)進(jìn)行比較，依據(jù)IEC61400-1規(guī)范，分析提高切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能及載荷的影響。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組氣動(dòng)載荷

風(fēng)能作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的主要輸入動(dòng)力源，對(duì)載荷和發(fā)電量的大小都起到至關(guān)重要的作用。為了評(píng)估發(fā)電量和載荷，需要首先進(jìn)行氣動(dòng)載荷的計(jì)算。

在葉片上，取半徑為r 、長(zhǎng)度為δr 的微元，稱為葉素。在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)過程中，葉素將掃掠出一個(gè)圓環(huán)。

對(duì)于一個(gè)葉片數(shù)為N、風(fēng)輪半徑為R、弦長(zhǎng)為c、葉素槳距角（葉素幾何弦線與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面間的夾角）為β的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，弦長(zhǎng)和槳距角都沿著槳葉軸線變化。令風(fēng)輪的旋轉(zhuǎn)角速度為Ω，風(fēng)速為v∞。同時(shí)考慮到尾流旋轉(zhuǎn)，圓盤下游在距旋轉(zhuǎn)軸徑向距離為r的地方氣流以2a'Ωr2（a'為切向氣流誘導(dǎo)因子）的切向速度旋轉(zhuǎn)。葉素的切向速度Ωr與圓盤厚度中部氣流的切向速度a'Ωr之和為經(jīng)過葉素的凈切向流速度(1+a' )Ωr。圖1所示為半徑r處葉素上的速度和作用力。

圖1 葉素的速度和作用力

從圖2中得到的葉片上的相對(duì)合速度w為

式中a 為軸向氣流誘導(dǎo)因子。

相對(duì)合速度與旋轉(zhuǎn)面之間的夾角（氣流傾角）是入流角φ，則

攻角α由下式給出

每個(gè)葉片在順翼展方向長(zhǎng)度為δr的升力

式中ρ為空氣密度，單位為kg/m2；w為相對(duì)風(fēng)速，單位為m/s；c為幾何弦長(zhǎng)，單位為m；C1為翼型升力特征系數(shù)。

平行于w的阻力為

式中Cd為翼型阻力特征系數(shù)。

c、Cl、Cd特征系數(shù)由風(fēng)輪葉片的形狀確定，決定著風(fēng)輪從風(fēng)中吸收能力的大小。

動(dòng)量-葉素（BEM）定理的基本假定是：作用于葉素上的力僅與通過葉素掃掠圓環(huán)氣體的動(dòng)量變化有關(guān)。因此，假定通過鄰近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向相互作用。N個(gè)葉素上的升力和阻力分量在軸向上分解為

代入方程（7）、（8）中，同時(shí)沿順翼展方向積分可求出單個(gè)葉片根部的法向力和切向力

由此可見，在葉片一定的情況下，氣動(dòng)載荷的大小主要由相對(duì)合速度w決定，由式（1）知w主要受到風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、氣流誘導(dǎo)因數(shù)的影響。因此，在提高切出風(fēng)速的情況下，為了抑制由于w的增加導(dǎo)致的氣動(dòng)載荷的增加，可以采用降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率的方法。

圖2 雙PI功率-轉(zhuǎn)速控制策略框圖

高于切出風(fēng)速控制策略

通常高風(fēng)速工況下，風(fēng)電機(jī)組變槳控制器采用PI或PID控制器。通過變槳控制器調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的同時(shí)，轉(zhuǎn)矩控制器的設(shè)定值并非保持恒定，而是參考轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)反向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率保持在額定值。

本文采用的變速風(fēng)電機(jī)組功率-轉(zhuǎn)速控制策略如圖2所示。變槳控制和轉(zhuǎn)矩控制分別由兩套獨(dú)立的PI控制器完成，控制器的輸入量均由發(fā)電機(jī)實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速確定。

為了防止驅(qū)動(dòng)鏈的共振頻率影響機(jī)組的安全運(yùn)行，在轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)中串聯(lián)一個(gè)低通濾波器：

其中，式中ωn＝ωd＝ω為共振頻率，ξn為分子衰減系數(shù)，ξd為分母衰減系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩，發(fā)電機(jī)所能提供的負(fù)載轉(zhuǎn)矩不再增加，若此時(shí)風(fēng)速繼續(xù)增大，風(fēng)輪氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩將大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速超過額定轉(zhuǎn)速。為了避免機(jī)組超速，應(yīng)用變槳控制器來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

傳動(dòng)鏈阻尼器是一個(gè)阻尼濾波器，它的傳遞函數(shù)如下：

式中G是增益，ω為阻尼振蕩頻率；τ為補(bǔ)償系統(tǒng)滯后時(shí)間常數(shù)；ζ為衰減系數(shù)。這個(gè)濾波器通過在額定風(fēng)速以上，轉(zhuǎn)矩給定值不變的情況下，在轉(zhuǎn)矩給定的基礎(chǔ)上增加一個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)頻率上的很小波動(dòng)，這樣可以抵消諧振作用，有效增加阻尼效果。

高風(fēng)速工況下，氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩對(duì)槳距角的敏感度很小，因此不同風(fēng)速下變槳控制器需要不同的增益。如果采用同樣的PID增益，在高風(fēng)速下的控制效果將會(huì)變差?？紤]到氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨槳距角幾乎呈線性變化，因此可以通過改變變槳控制器的全局增益，使其與槳距角呈反比例關(guān)系，這樣便可降低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)對(duì)機(jī)組恒功率輸出的影響。根據(jù)機(jī)組不同的運(yùn)行區(qū)域，對(duì)變槳控制器的PID增益進(jìn)行分區(qū)調(diào)整。

為了防止變槳?jiǎng)幼鬟^于頻繁，降低塔筒的振動(dòng)幅度和載荷響應(yīng)，在雙PI控制器的輸入端各串聯(lián)一個(gè)塔筒阻尼器，由低通濾波器和帶通濾波器組合而成，分別用于增加塔筒的前后方向阻尼和側(cè)向阻尼。其中，前后方向塔筒阻尼器的輸入量為塔筒頂部前后方向振動(dòng)加速度的帶通濾波值，輸出量為變槳角度的額外增量Δθ，直接疊加在槳距角設(shè)定值上。同樣，側(cè)向塔筒阻尼器的輸入量為塔筒頂部側(cè)向振動(dòng)加速度的帶通濾波值，輸出量為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的額外參考信號(hào)DT，直接疊加在轉(zhuǎn)矩設(shè)定值上。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在切出風(fēng)速以上時(shí)，逐漸降低雙PI控制器的轉(zhuǎn)速和功率設(shè)定值，從而保持風(fēng)電機(jī)組軸扭矩恒定。轉(zhuǎn)速和功率的設(shè)定值并非與風(fēng)速保持線性關(guān)系，而是根據(jù)風(fēng)速引入不同的調(diào)節(jié)系數(shù)。

仿真試驗(yàn)與結(jié)果分析

應(yīng)用該控制策略，以某1.5MW機(jī)組模型為對(duì)象，利用Bladed軟件進(jìn)行了仿真研究。

在仿真過程中，設(shè)定機(jī)組切出風(fēng)速提高到30m/s，降功率運(yùn)行區(qū)間為25m/s到30m/s。為了對(duì)比分析，降功率區(qū)的功率分別設(shè)置為500kW，800kW，1000kW，1200kW，1500kW。

采用提高切出風(fēng)速的控制策略后，機(jī)組的功率曲線，年發(fā)電量，極限載荷和疲勞載荷都會(huì)發(fā)生變化。以下將從這四個(gè)方面進(jìn)行研究。

（1）功率曲線

機(jī)組在采用正常切出風(fēng)速控制邏輯時(shí)，風(fēng)速在額定風(fēng)速和切出風(fēng)速之間，一直以額定功率運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)速大于25m/s的切出風(fēng)速時(shí)，機(jī)組切出，不再發(fā)電。

風(fēng)電機(jī)組使用提高切出風(fēng)速控制策略時(shí)，當(dāng)風(fēng)速超過某一值時(shí)會(huì)降功率發(fā)電。

在機(jī)組的控制器中需要增加額定功率區(qū)到降功率區(qū)的切換算控制。

（2）對(duì)發(fā)電量的影響

通過功率曲線，并結(jié)合風(fēng)能資源的情況及機(jī)組的可利用小時(shí)數(shù)，可以計(jì)算出機(jī)組發(fā)電量。為了研究方便，假定風(fēng)電場(chǎng)的年風(fēng)速分布為威布爾（Weibull）分布，其形狀參數(shù)k＝1.7，年平均風(fēng)速為10m/s。表1所示為不同的降功率區(qū)設(shè)定功率對(duì)應(yīng)的年發(fā)電量，并與正?？刂茣r(shí)的年發(fā)電量做比較。正常發(fā)電控制時(shí)年發(fā)電量為7177MWh。

從表中知，提高切出風(fēng)速后，年發(fā)電量最大可以增大9%。

表1 年發(fā)電量增加與降功率區(qū)功率關(guān)系

（3）對(duì)極限載荷的影響

一般情況下，機(jī)組的設(shè)計(jì)極限載荷既可能由發(fā)電工況產(chǎn)生，也可能由停機(jī)工況產(chǎn)生。當(dāng)考慮提高切出風(fēng)速后的極限載荷對(duì)于機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷的影響，應(yīng)該先確定其是否確實(shí)增加了設(shè)計(jì)極限載荷。這需要其與正?？刂七壿嫊r(shí)發(fā)電工況的極限載荷及空轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的極限載荷對(duì)比來確定。

圖3 輪轂中心彎矩Myz與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖4 塔頂彎矩Mxy與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖5 塔底彎矩Mxy與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖6 輪轂中心y軸方向彎矩My等效載荷與降功率區(qū)功率關(guān)系

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組，不同的設(shè)計(jì)安全等級(jí)，對(duì)應(yīng)的50年一遇大風(fēng)不同，產(chǎn)生的極限載荷也不同。當(dāng)遇極端大風(fēng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，機(jī)組不發(fā)電，提高切出風(fēng)速對(duì)這種工況的載荷不產(chǎn)生影響。機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷需要通過對(duì)比發(fā)電和空轉(zhuǎn)情況下的載荷來確定。發(fā)電工況的極限載荷決定機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷。發(fā)電極限載荷增加會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷增加。

由于功率由轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速共同決定，可通過降低轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的方法實(shí)現(xiàn)功率下降。本文分別對(duì)降轉(zhuǎn)速法和降轉(zhuǎn)矩法進(jìn)行了仿真研究，并選取機(jī)組的關(guān)鍵極限載荷和疲勞載荷進(jìn)行對(duì)比分析。

從圖3－5中可以看出，兩種方法都可降低極限載荷，但是降轉(zhuǎn)速的方法更為有效。提高切出風(fēng)速后，塔架極限載荷一直小于原設(shè)計(jì)值，這是因?yàn)檩d架的極限載荷一般都產(chǎn)生在額定風(fēng)速附近。對(duì)于輪轂Myz，當(dāng)功率用降轉(zhuǎn)速法降到1200kW后，數(shù)值小于設(shè)計(jì)值。

（4）對(duì)疲勞載荷的影響

為了研究方便，利用等效疲勞載荷研究降功率法對(duì)疲勞載荷的影響，在計(jì)算等效疲勞載荷的過程中，把疲勞載荷等效為循環(huán)次數(shù)n＝1.0E+7的等輻振蕩載荷。

從圖6－10中可以看出，各關(guān)鍵載荷點(diǎn)的疲勞載荷相對(duì)于原設(shè)計(jì)值都有所增加。采用降轉(zhuǎn)速法的疲勞載荷的增量隨降功率區(qū)的功率增大而增大，當(dāng)功率小于1200kW時(shí)增量較小，當(dāng)大于1200kW后，疲勞載荷迅速增加。采用降轉(zhuǎn)矩法的疲勞載荷的增量隨降功率區(qū)的功率增大基本保持不變，而且其值也較大。所以采用降轉(zhuǎn)速法對(duì)于減小疲勞載荷的增加更為有效。

綜合考慮疲勞載荷和極限載荷，提高切出風(fēng)速時(shí)，采用降轉(zhuǎn)速方法對(duì)降低功率更為有利。對(duì)于本機(jī)組在降功率區(qū)的運(yùn)行功率可設(shè)置為1200kW ，采用降轉(zhuǎn)速法降低功率，機(jī)組的年發(fā)電量可提高7.2%，極限載荷保持不變，疲勞載荷有少量增加。

圖7 塔頂y方向彎矩My等效載荷與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖8 塔底y方向彎矩My等效載荷與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖9 葉根揮舞彎矩等效載荷與降功率區(qū)功率關(guān)系

圖10 葉根擺振彎矩等效載荷與降功率區(qū)功率關(guān)系

結(jié)語

本文針對(duì)風(fēng)電場(chǎng)改變機(jī)組原設(shè)計(jì)切出風(fēng)速以提升發(fā)電量的需求，基于切出風(fēng)速為25m/s、額定轉(zhuǎn)速為1850r/min的某1.5MW雙饋式風(fēng)電機(jī)組在雙PI控制算法的基礎(chǔ)上，分析了影響機(jī)組機(jī)械載荷的主要因素，提出了在高于原設(shè)計(jì)切出風(fēng)速工況下可能的降載荷方法及控制方法，并在平均風(fēng)速為30m/s的湍流工況對(duì)降轉(zhuǎn)矩、降轉(zhuǎn)速兩種控制策略與原雙PI控制算法進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明在轉(zhuǎn)速不高于1480r/min、功率不大于1200kW的約束條件下，機(jī)組運(yùn)行載荷符合原設(shè)計(jì)要求，可保證機(jī)組安全。此方法可作為參考在風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行推廣，提升風(fēng)電場(chǎng)效益，具有重要的理論研究和工程參考意義。

（作者單位：陳建強(qiáng)，刁爭(zhēng)春，李釩：都城綠色能源有限公司新疆分公司；劉廣東：魯能集團(tuán)科技信息部）

*國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目《提高新疆百里風(fēng)區(qū)發(fā)電能力的研究與示范》 （[2015]709號(hào)文）資助。