小型風力機大風限速方法的發展與研究現狀

內蒙古工業大學能源與動力工程學院 馮國英 劉志璋 包道日娜

廣州紅鷹能源科技有限公司 戴文平

一 引言

目前，大型風力機多采用主動變槳距進行大風限速，而小型風力機的大風限速方式卻不斷趨于多樣化。小型風力機的大風限速方式可分為空氣動力控制、電磁控制和機械剎車。空氣動力控制包括風輪側偏或上仰、失速控制和變槳距控制[1,2]。電磁控制包括電磁剎車(發電機三相輸出短接)、泄荷器和漸進式電磁控制[3]。其中空氣動力控制和漸進式電磁控制可進行風力機功率調節，電磁剎車、泄荷器、機械剎車啟動后風力機會逐漸停止功率輸出。

采用不同空氣動力限速方式的風力機在結構上會有所不同，如采用風輪側偏的風力機其尾舵可繞尾梢轉動，采用變槳距控制的風力機其葉片和輪轂需要特別設計，這種結構多樣性使小型風力機仿真模型的建立變得更為復雜。小型風力機不同于大型風力機的另外一個特點是尾舵對風，這一性能會直接影響風力機功率和載荷[4]。本文主要介紹小型風力機各種空氣動力限速機構及其仿真模型的發展與研究現狀，以及尾舵空氣動力學和結構動力學模型的研究進展，為我國小風電研究工作提供參考。

二 小型風力機的大風限速方式

目前，小型風力機常見的大風限速方式有風輪側偏或上仰、被動變槳距和被動失速。按照歐盟小風電發展策略項目組(SWIIS)[5]的研究結論，在年平均風速Vmean小于5m/s、最大參考風速Vref為20m/s的地區，小型風力機可不需任何大風限速措施；Vmean小于7m/s、Vref為30～35m/s的地區，可使用風輪側偏或上仰限速方式；Vmean高于11m/s、Vref為60m/s的地區，需要使用變槳距限速方式。

對于直徑小于1m的微型風力發電機，通常不設空氣動力限速裝置。這種風力機主要用于為蓄電池充電，為了防止蓄電池過充及蓄電池充滿后風輪發生飛車，風力機常配有泄荷器。泄荷器也用于并網運行的風力機，美國Abundant Renewable Energy的10kW風力機就使用泄荷器吸收超出逆變器允許范圍的額外功率[6]。另外，泄荷器有時也被當作“柔性”電磁剎車使用[4]。

1 風輪側偏

配重式風輪側偏是目前使用最普遍的一種小型風力機限速方式。如博力公司的1kW、5kW和10kW風力機，美國西南公司的Wisper系列風力機，英國Marlec的1kW以下風力機，Fortis的10kW、5kW和1.4kW風力機都采用風輪側偏限速機構。風輪上仰在小型風力機上也有所應用，如西班牙Bornay生產的0.6～6kW系列風力機。

與大型風力機相比，小型風力機技術發展較為緩慢。國內關于風輪側偏控制方式的研究文獻很少，肖占俊[7]根據實踐經驗對文獻[11]和[12]提出的傳統配重式風輪側偏機構的設計方法做了改進；張維智[8]設計了一臺帶折尾機構的500W風力發電機，并做了實驗測試，結果表明，風力發電機發生折尾后輸出功率將大幅下降。

相關研究指出風輪側偏機構主要有以下特點:

(1)風輪側偏和回位對應的風速具有不確定性。風輪側偏機構受湍流的影響較大，風輪側偏和回位對應的風速及風輪側偏角與風速的對應關系具有一定的不確定性。此外，風切變也會影響風輪側偏性能[9]。如Berger 10kW[10]風力機在風速增加到約14.8m/s時尾舵開始發生側偏，當風速在13.4～17.9m/s之間變化時，尾舵處于側偏－回位－側偏的擺動狀態，這種不斷的擺動是我們不希望發生的。Bowen[11]認為是湍流及其引起的尾翼對風不準確最終導致了風輪側偏機構沒有按照設計的情況運行。NREL對ARE442(額定功率10kW)的測試[6]也表明大風時存在尾舵沒有偏轉導致轉速遠遠高于設計值的情況。

(2)湍流影響風力機的發電量和風輪載荷?？傮w來說，湍流強度越高，風力機發電量越少，風輪載荷越大[12,13]。Riziotis等[12]指出湍流是影響風力機疲勞壽命的一個最重要的因素。

(3)功率與風速的對應關系不確定。Bowen[11]、Summerville[14]、William[13]的風場測試結果表明風力機功率散點圖存在上下兩個分支。Bowen和Summerville認為其原因是尾舵回位對應的風速要小于尾舵折尾對應的風速，上面的分支對應于風力機的正常運行狀態，下面的分支對應于折尾狀態。但Jorge[15]的研究卻顯示了不同的結果，風力機在負載為12V、24V和48V蓄電池時功率散點圖都沒有出現分支，但在負載為12V蓄電池并聯一個電阻時，功率散點圖出現了上下兩個分支，且并聯電阻值越小，分支越明顯。Jorge認為功率值較低的分支是由葉片失速引起的，風速上升時，由于風輪重載運行，風輪轉速上升較慢，導致攻角較大，葉片運行在失速狀態，從而風力機功率較??；一旦葉片脫離了失速運行狀態，風輪轉速和功率會快速上升，從而形成功率散點圖上面的分支。

(4)高風速對應的平均功率遠遠低于額定功率。張維智[8]、Bikdash[10]、Bowen[11]、NREL[16]等的測試結果表明高風速時尾舵通常會發生偏轉，風輪側偏后功率明顯下降，使得高風速對應的平均功率遠遠低于額定功率。但也偶爾出現高風速時風輪未發生側偏致使風輪超速運行的情況。

(5)具有風輪側偏機構的風力機啟動風速較高，這是因為偏心距會引起風輪對風偏差[6,17]，從而使作用的風輪上有效風速降低。

2 被動變槳距

被動變槳距分為向順槳方向變槳距和向失速方向變槳距。向順槳方向變槳矩是指葉片向槳矩角減小的方向旋轉，風速在13～25m/s的范圍內，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍通常為4?～26?；向失速方向變槳矩是指葉片向槳矩角增大的方向旋轉，風速在13～25m/s的范圍內，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍為0?～?4?[5]。向失速方向變槳矩的優點是葉片旋轉角度較小，缺點是葉片失速后的空氣動力很難準確估算[13]。

德國Superwind的350W風力機使用離心式被動變槳矩控制，在風速12～60m/s范圍內，配重的離心力驅動葉片向順槳方向旋轉約30?，以維持額定功率輸出[5]。EOLTEC的6kW風力機、Ampair的300W和600W風力機使用的是向失速方向變槳距的離心式被動變槳距限速方式。Pitchwind AB公司的PW14/30風力機使用被動變槳矩控制，但驅使葉片轉動的是葉片的空氣動力轉矩。葉尖制動也是一種被動變槳距方式，如Ventera Energy公司的VT10使用葉尖制動作為大風限速方式，NREL的測試結果[18]表明，轉速在220～240r/min時葉尖制動啟動，轉速低于220r/min時葉尖在彈簧力的作用下回位。

關于被動變槳距的研究文獻并不多。Hertel[1]的模擬仿真結果表明，如果設計得當，變槳距控制的風力機可實現在高風速時輸出功率不發生明顯下降，但目前還沒有實驗數據能證明這一點。

3 失速控制

小型風力機的失速控制包括被動失速和柔性失速兩種方式。被動失速控制結構簡單、成本低、可靠性高，90年代初該限速方法廣泛應用于定轉速、定槳矩的中、大型風電機組[19]。該控制方法的工作原理是風速增加時，轉速保持不變，作用于葉片上的攻角增大，氣流從葉片表面脫離，從而發生失速。

目前，大型風電機組以變槳距控制為主，而越來越多的并網運行的小型風力機開始青睞于失速控制，但使用的仍然是定轉速運行模式。如英國Gazelle的20kW風力機、Gaia-Wind的11kW風力機、德國Aerodyn和SMA合作生產的AeroSmart 5kW風力機、美國Endurance的5kW、35kW、50kW風力機。失速控制要求葉片本身具有較好的失速性能，且通常使用的是異步發電機，可直接與電網相連，電網就像一個大飛輪，無論風速的大小，始終將風輪保持在定轉速(或者轉速變化非常小)運行狀態[20]。定轉速運行的風力機的并網技術較為成熟，其并網逆變器價格要遠低于變轉速運行風力機的逆變器。

應用于變轉速運行風力機的被動失速控制又稱為柔性失速。柔性失速在理論上可行，但與定轉速運行的風力機相比，其并網所需的變頻器價格較高，且容量較大的定槳矩風力機通常需要配置葉尖制動裝置，這使得風力機結構變得更復雜，使其相對于變槳距風力機的優勢大打折扣。鑒于以上原因，該技術至今尚未應用于商業運行的大型風力機[19]。但該技術在小型風力機上已有所應用。美國西南公司的Skystream 3.7風力機使用失速控制，與傳統的失速控制的風力機不同，該風力機可變轉速運行，且使用的是永磁發電機[21]。

柔性失速(Soft-Stall)是指大風時通過控制發電機轉速使風輪在較低尖速比狀態下運行，使葉片發生失速，降低風能利用系數，從而達到控制風輪轉速和功率的目的。Muljadi[22]從空氣動力學角度分析了柔性失速的工作原理，但并未通過實驗驗證其可行性，也沒有分析該控制方法的實現手段。Neal[23]提出了在風力提水機上使用調節電阻實現柔性失速控制的方法，并通過實驗證實了該方法可提高系統功率輸出，增加提水量。Bourlis[24]和Bystryk[25]分析了變速運行風力機的失速控制原理及控制方案。Ahmed[26]將柔性失速應用于一臺垂直軸小型風力機，并設計了控制器，臺架實驗結果顯示控制器可以工作在柔性失速模式。

柔性失速主要存在以下兩個缺陷，從而影響了它的廣泛應用。(1)控制不穩定，在陣風情況下控制可能失效。(2)柔性失速控制策略的實現有一定難度。如果控制響應速度太慢，風力機可能會超速運行，甚至起不到限制轉速的作用；如果響應速度太快，發電機線圈內會產生較大的電流，影響電氣設備使用壽命；另外，發電機電流快速增大的結果是風輪轉速的快速下降，從而引起較大的機械載荷。

三 小型風力機結構動力學模型

1 風輪側偏機構的結構動力學模型

小型風力機的結構動力學模型多是針對具有風輪側偏機構的風力機建立的。Muljiadi[27]給出了風輪側偏力矩和尾舵回位力矩的簡化計算公式，以及風力機關于塔架中心軸的運動方程，對采用風輪側偏和柔性失速兩種方式綜合控制的風力機進行了模擬分析。Bialasiewicz[28]給出了風輪、發電機、整流器、控制器(最大功率跟蹤)和帶阻尼的風輪側偏機構的簡化數學模型，并編寫了仿真程序，模擬結果表明增加折尾阻尼會降低折尾速度，延長折尾時間，從而減小折尾過程增加的風力機載荷，但是會降低風能利用系數。以上研究對風輪側偏機構的運動方程簡化的主要內容為:

(1)計算風輪側偏力矩時只考慮風輪推力的影響，風輪推力系數簡化為只隨尖速比變化的函數。

(2)假設風輪側偏角與尾舵偏轉角相等。

(3)假設尾翼氣動中心到尾銷的距離與尾翼氣動中心到塔架中心軸的距離相等。

(4)尾舵回位力矩簡化為尾舵偏轉角的一次函數。

以上簡化使仿真模型無法用于分析各項設計參數對側偏性能的影響。Bikdash[10]和Audierne等[29]建立了廣義坐標下的風輪側偏機構的拉格朗日運動方程，在計算風輪側偏力矩時采用了以BEM為基礎的風輪葉片空氣動力學模型，不同的是Audierne等建立模型是沒有考慮風輪上仰角，而Bikdash沒有考慮風輪尾流對作用在尾翼上的風速的影響。Audierne等[29]采用其建立的風輪側偏機構模型詳細分析了風輪側偏特性及其影響因素，并且給出了處于風輪尾流區域中尾翼上風速的計算方法。

2004年，FAST風力機模擬仿真平臺[30]中加入了風輪側偏的計算模型，其中包括目前小風機常用的風輪偏轉機構的數學模型。FAST是目前考慮因素最為全面、源代碼對公眾開放的小型風力機結構動力學仿真軟件，并且是通過專業認證[31]的可用于小型風力機設計計算的仿真軟件。

2 被動變槳距風輪的結構動力學模型

目前，關于被動變槳距風輪結構動力學的研究成果較少。Hertel等[1]建立了偏心式被動變槳距(向順槳方向)風輪的結構動力學模型，并對變槳距風輪在穩態和湍流風況下的動態特性進行了仿真計算，計算結果表明變槳阻尼有助于增加變槳機構的穩定性，葉片變槳后風輪推力減小，但是沒有相關的實驗驗證。

四 尾舵對風的數學模型

1 尾翼空氣動力學模型

風力機空氣動力學模型包括風輪、機艙、塔架及尾流模型，用于大型風力機的模型基本也適用于小型風力機，如葉素動量理論、葉尖輪轂修正。但與大型風力機不同的是，小型風力機采用尾舵對風，尾翼空氣動力學是專屬于小風電的一個研究方向。

小型風力機利用作用在尾翼上的風壓力實現風輪對風，而尾流風速是影響尾翼風壓力的關鍵因素。動量葉素理論[20]給出的風輪正對風時尾流風速為:

其中，V為來流風速；α為軸向誘導因子。當風輪運行在最佳尖速比狀態時，α為0.33，UW為0.67V。Ackerman[32]給出風輪在對風偏差角為θ時尾流風速的表達式:

其中，ε為氣流膨脹角；Ψ為風輪葉片方位角。當考慮輪轂對尾流的影響時，Magnusson[33]指出風輪后的氣流損失呈現“雙峰分布”的形式，由于輪轂的阻擋，“雙峰”的峰谷出現在輪轂后方約1/4風輪直徑的位置。但是，在風輪后方約一倍的風輪直徑的位置，風速損失呈“拋物體”分布，風速損失的最大值出現在風輪中心位置。該“拋物體”與風向垂直的截面形狀為橢圓。Audierne等[29]對Magnusson給出的“拋物體”分布的尾流損失模型進行了進一步分析，給出了“拋物體”幾何形狀的計算公式和作用在尾翼上的水平風速的表達式。

風輪推力系數的大小是影響尾流風速的一個重要因素。Magnusson[33]的實驗結果表明風輪推力系數越大，尾流損失越大，尾流風速越小。當風輪重載運行時，風輪推力系數較大，動量理論不再適用，需要對α進行修正，使用較多的是Glauert經驗修正公式[20]。

Larwood[34]測試了直徑為10m的風輪在正對風和側偏狀態下的尾流切向速度和軸向速度，為小型風力機尾流模型的修正提供了依據；另外，測試結果也表明尾流速度的不穩定程度很大程度上取決于風輪葉尖速比，受風輪對風狀態影響較小。

2 尾舵對風運動方程

小型風力機多采用尾舵對風，這種被動對風方式最大的缺點是對風速度較難確定。Ebert[35]采用位勢理論建立了Delta(尾翼的運動方程，通過建立數學模型和風洞實驗分析了尾翼面積和形狀、尾桿長度對尾舵阻尼、固有頻率的影響。

最簡單的尾翼模型為Kristensen[36]給出的“偽靜態(pseudo-static)”假設模型，該模型假設在一定的攻角范圍內，作用在尾翼上的升力和阻力是靜態的。Ebert的風洞實驗結果[35]表明了“偽靜態”假設理論的局限性。Ebert將尾舵(不包括風輪和機體)以一定的側偏角放置于風洞之中，保持風速不變，然后放開尾舵使其可自由旋轉，“偽靜態”認為此時尾翼會做簡諧運動，但實驗中尾翼受到很大的阻尼作用。

Katz[37]和Leishman[38]在“偽靜態”假設模型的基礎上建立了“非穩態細長體(USB)”模型。該模型同樣假設作用在尾翼上的升力是穩態的，阻力忽略不計，但增加了阻尼作用，即由和尾翼一起運動的空氣引起的“附加質量”。Bechly等[39]采用USB理論推導了尾翼氣動力矩的計算方法，并建立了尾舵對風運動方程，同時證明了風輪椎角有助于增加風輪對風穩定性。Wright A K[17]測試了各種形狀尾翼的升力、阻力系數，建立了尾舵對風動力學模型，并將計算結果與實測結果作比較，表明風力機空轉狀態下仿真結果與實測結果的一致性要高于風力機發電狀態下的一致性。

五 結論

本文綜述了小型風力機的大風限速方法及其仿真模型的發展與研究現狀，同時介紹了尾舵對風的空氣動力學和結構動力學模型的研究進展。

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