一種基于空氣密度的調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)切入的新機(jī)制

鄧永華 姜慶云

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機(jī)的自動(dòng)控制水平是風(fēng)機(jī)效率和可靠性的重要指標(biāo)之一。目前的風(fēng)機(jī)一般只將風(fēng)速作為風(fēng)機(jī)切入的判斷條件。事實(shí)上，風(fēng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，風(fēng)速切入主要由空氣密度和風(fēng)速的三次方的乘積決定。本文根據(jù)風(fēng)能捕獲和空氣密度相關(guān)的思想，提出了空氣密度調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)切入機(jī)制。這種機(jī)制在近乎零成本的投入下，可在低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)提高發(fā)電量約0.5%。

關(guān)鍵詞：空氣密度;切入風(fēng)速;發(fā)電量

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）02-0038-03

A New Improving Energy Product Model of Modulating?Wtg Cut-In Wind Speed by Air Density

Abstract： Automatic control represents one of the most important factors responsible for the efficiency and reliability of wind power conversion systems. Thus far， only the wind speed is considered as cut-in control mechanism. In fact， the cut-in requirement is determined by the ρv3， i.e. the air density times the cube of incoming wind speed， so the air density should be considered as the cut-in parameter. Based on this concern， a new model was suggested that the cut-in speed was modulated by the instant air density. This model can improve the energy product about 0.5% without any hardware cost at low speed wind farm.

Keywords： air density;cut-in wind speed;energy product

1 研究背景

風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速的設(shè)定是檢驗(yàn)風(fēng)機(jī)質(zhì)量的重要參數(shù)。現(xiàn)代風(fēng)機(jī)電器系統(tǒng)大多采用變速恒頻運(yùn)行方式，同時(shí)不斷追求最大的風(fēng)能捕獲（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。李晶[1]、姚駿[2]、趙仁德[3]等提出了多種實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤的控制方法，但缺乏對(duì)切入風(fēng)速變化本身的關(guān)注。早些年，人們都將切入風(fēng)速設(shè)定為相對(duì)較高的數(shù)值，因?yàn)樵缧┠旮唢L(fēng)速風(fēng)場(chǎng)居多，低風(fēng)速階段的發(fā)電量較少而不受到運(yùn)營(yíng)商的重視。近年來(lái)，高風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)開(kāi)發(fā)飽和，低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)得到快速發(fā)展，風(fēng)機(jī)的低風(fēng)速發(fā)電性能得到了關(guān)注[4]。低風(fēng)速風(fēng)機(jī)對(duì)切入風(fēng)速非常重視，因?yàn)槠湫枰L(fēng)機(jī)在盡量低的風(fēng)速下正常啟動(dòng)，保證正常切入，從而減少啟動(dòng)故障。

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)決定了風(fēng)機(jī)的切入性能。同時(shí)，風(fēng)機(jī)的切入與運(yùn)行環(huán)境密切相關(guān)。之前，人們對(duì)風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速的研究較少，一般都取固定值。本文指出，風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速與風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行環(huán)境中的空氣密度密切相關(guān)。基于這一原理，結(jié)合不同季節(jié)空氣密度不同，提出了一種新的風(fēng)機(jī)切入調(diào)節(jié)機(jī)制。這種模式只需修改控制邏輯算法（幾乎零成本投入），即可顯著提升發(fā)電量。

2 空氣密度調(diào)節(jié)的風(fēng)機(jī)切入機(jī)制

空氣密度是指單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量?？諝饷芏仍酱?，空氣中所攜帶的能量越多。風(fēng)能捕獲模型[5]為：

[P=12ρACpλ，βv3] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，[P]為可捕獲功率;[ρ]為空氣密度;[A]為風(fēng)機(jī)掃風(fēng)面積;[Cp]為風(fēng)機(jī)的風(fēng)能利用系數(shù)，其是葉尖速比[λ]和槳距角[β]的函數(shù);[v]為風(fēng)速。

由式（1）可知，可捕獲功率[P]和空氣密度[ρ]成正比。在相同風(fēng)速情況下，空氣密度越大的地方和季節(jié)，可捕獲功率越高。

風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速的最佳設(shè)定是：風(fēng)機(jī)從氣流中捕獲的能量，剛好滿足風(fēng)機(jī)啟動(dòng)并網(wǎng)條件。對(duì)于已經(jīng)樹(shù)立的風(fēng)機(jī)而言，掃風(fēng)面積A和風(fēng)能利用系數(shù)[Cp]等均為定值，則風(fēng)機(jī)啟動(dòng)與[Cp·ρv3]相關(guān)。在風(fēng)速變化較小的情況下，可認(rèn)為[Cp]不變，則風(fēng)速啟動(dòng)只與[ρv3]有關(guān)。對(duì)于空氣密度大的地區(qū)和季節(jié)，切入風(fēng)速可以設(shè)置得稍微小一些。

假設(shè)風(fēng)機(jī)在某空氣密度[ρ0]下風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)切入風(fēng)速為[v0]，則在某一時(shí)刻當(dāng)?shù)乜諝饷芏萚ρ1]下，根據(jù)式（2），切入風(fēng)速[v1]可以設(shè)置為式（3）[6]。

[ρ0v30=ρ1v31] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[v1=ρ0ρ13×v0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

根據(jù)式（3），已知某一空氣密度下風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速，即可計(jì)算實(shí)時(shí)的切入風(fēng)速。

在大多數(shù)地區(qū)，空氣密度隨季節(jié)呈現(xiàn)較大變化[7]。以安徽某年度80m平均風(fēng)速為5.32m/s的三類風(fēng)場(chǎng)為例，該風(fēng)場(chǎng)月度平均空氣密度趨勢(shì)變化如圖1所示（左縱坐標(biāo)軸）。假定該風(fēng)場(chǎng)安裝的風(fēng)機(jī)在空氣密度最?。ㄆ咴路荩┑那闆r下，切入風(fēng)速3.0m/s足以支持風(fēng)機(jī)正常啟動(dòng)，那么在其他月份，根據(jù)式（3）得到的切入風(fēng)速變化也如圖1所示（右縱坐標(biāo)軸）。

目前，大多數(shù)風(fēng)機(jī)在一年內(nèi)所有時(shí)間段都使用固定的切入風(fēng)速。事實(shí)上，如圖1所示，風(fēng)機(jī)在空氣密度較高月份完全可以采用較低的切入風(fēng)速;在1月份，切入風(fēng)速可以設(shè)為2.88m/s。由此根據(jù)該風(fēng)場(chǎng)的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)推算，則每年可延長(zhǎng)風(fēng)機(jī)在風(fēng)速3m/s附近的工作時(shí)間約200h。按照該延長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)功率全部為30kW，全年滿發(fā)小時(shí)數(shù)2 000h計(jì)算，則該策略可提升全年發(fā)電量的0.5%。

對(duì)于地處寒帶的高風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)（如中國(guó)的黑龍江、內(nèi)蒙古，新疆等地），空氣密度差異更大，冬夏季的切入風(fēng)速設(shè)置要相差更大，則發(fā)電量提升效果會(huì)更加顯著。

3 設(shè)計(jì)方案

假定在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，風(fēng)機(jī)設(shè)定在某一空氣密度[ρ0]下的切入風(fēng)速為[v0]。

3.1 計(jì)算空氣密度

3.1.1 方案一。如果風(fēng)機(jī)設(shè)有空氣密度傳感器，則直接利用實(shí)時(shí)的空氣密度[ρ]，根據(jù)式（3）來(lái)判斷合適的啟動(dòng)風(fēng)速v。

3.1.2 方案二。如果風(fēng)機(jī)沒(méi)有空氣安裝密度傳感器，但具備溫度和大氣壓強(qiáng)傳感器，則根據(jù)理論氣體公式（見(jiàn)式（4））[8]，利用實(shí)時(shí)的溫度和大氣壓強(qiáng)，計(jì)算實(shí)時(shí)的空氣密度[ρ]。

[ρ=BR×T] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[T]為空氣實(shí)時(shí)空氣絕對(duì)溫度（K）;[B]為大氣壓強(qiáng)（Bar）;[R]為干燥空氣的大氣常數(shù)，[R]=287.05J/（kg·K）。

3.1.3 方案三。如果風(fēng)機(jī)既無(wú)空氣密度傳感器，又無(wú)大氣壓強(qiáng)傳感器，但具備溫度傳感器，則可以假設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)為定值，然后利用實(shí)時(shí)溫度，根據(jù)式（4）來(lái)計(jì)算實(shí)時(shí)的空氣密度[ρ]。這時(shí)，大氣壓強(qiáng)可根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮簭?qiáng)年度平均值來(lái)設(shè)定，也可根據(jù)壓強(qiáng)和高度的關(guān)系來(lái)設(shè)定當(dāng)?shù)仄骄鶜鈮?。氣壓和高度的關(guān)系參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[9]。

3.1.4 方案四。如果風(fēng)機(jī)不具備測(cè)量空氣密度、大氣壓強(qiáng)和溫度的所有設(shè)備，則可以根據(jù)當(dāng)?shù)啬甓瓤諝饷芏茸兓厔?shì)（可類似于二次曲線，如圖1所示），擬合出空氣密度變化規(guī)律，然后根據(jù)月份來(lái)對(duì)應(yīng)插值得到近似的空氣密度，或者記錄每月空氣密度數(shù)值進(jìn)行調(diào)用。由于這種近似可能存在較大誤差，所以設(shè)置參數(shù)時(shí)需要預(yù)留較大的閾值。

目前，大多數(shù)廠家風(fēng)機(jī)具備外置溫度傳感器，所以第三種方案具有廣泛的適用性。

3.2 計(jì)算實(shí)時(shí)啟動(dòng)風(fēng)速

計(jì)算出實(shí)時(shí)的空氣密度[ρ]后，根據(jù)式（3）和給定空氣密度下的啟動(dòng)風(fēng)速[v0]，即可計(jì)算實(shí)時(shí)啟動(dòng)風(fēng)速[v0]。

4 結(jié)論和討論

本文利用風(fēng)場(chǎng)空氣密度的變化特性，給出一種空氣密度調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)切入的新模式，并給出了4種設(shè)計(jì)方案。該模式只需要修改控制算法而不需要任何其他硬件投入，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電量的有效提升。在一個(gè)平均風(fēng)速為5.32m/s的低風(fēng)速風(fēng)場(chǎng)，增加這種機(jī)制將帶來(lái)0.5%的發(fā)電量提升。預(yù)期在空氣密度變化更為顯著的寒冷地帶，發(fā)電量提升將更加顯著。接下來(lái)，筆者將在寒冷地帶做測(cè)試，以證實(shí)這種機(jī)制對(duì)發(fā)電量提升的貢獻(xiàn)。

風(fēng)機(jī)切入風(fēng)速可能與多種因素有關(guān)，空氣密度只是其中一個(gè)易于控制且非常顯著的參數(shù)。進(jìn)一步，筆者可以研究其他因素如湍流強(qiáng)度、入流角、天氣對(duì)切入風(fēng)速的影響，以及風(fēng)場(chǎng)環(huán)境對(duì)風(fēng)機(jī)控制的影響，并進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)機(jī)控制，達(dá)到提升發(fā)電量的目的。

參考文獻(xiàn)：

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