提高切出風(fēng)速對風(fēng)電機組性能及載荷的影響分析*

文|陳建強，刁爭春，劉廣東，李釩

提高切出風(fēng)速對風(fēng)電機組性能及載荷的影響分析*

文|陳建強，刁爭春，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，本文不再贅述。所謂風(fēng)速運行范圍，是指基于風(fēng)電機組設(shè)計載荷的要求，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。通常機組如果超過切出風(fēng)速就會自動停機。對于風(fēng)能資源豐富的“三北”地區(qū)，很多風(fēng)電場全年在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)電機組安全穩(wěn)定運行在這一風(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，從而有效提升機組發(fā)電量。判斷機組運行在高于切出風(fēng)速工況是否可行，重點要分析提高切出風(fēng)速對機組關(guān)鍵部件極限載荷與疲勞載荷的影響。

本文依據(jù)動量-葉素（BEM）理論，推導(dǎo)出影響氣動載荷的主要因素，提出高于切出風(fēng)速運行的控制策略。通過載荷計算軟件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進行比較，依據(jù)IEC61400-1規(guī)范，分析提高切出風(fēng)速對風(fēng)電機組性能及載荷的影響。

風(fēng)力發(fā)電機組氣動載荷

風(fēng)能作為風(fēng)力發(fā)電機組的主要輸入動力源，對載荷和發(fā)電量的大小都起到至關(guān)重要的作用。為了評估發(fā)電量和載荷，需要首先進行氣動載荷的計算。

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

對于一個葉片數(shù)為N、風(fēng)輪半徑為R、弦長為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)電機組，弦長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合速度w為

式中a 為軸向氣流誘導(dǎo)因子。

相對合速度與旋轉(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

每個葉片在順翼展方向長度為δr的升力

式中ρ為空氣密度，單位為kg/m2；w為相對風(fēng)速，單位為m/s；c為幾何弦長，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，同時沿順翼展方向積分可求出單個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，氣動載荷的大小主要由相對合速度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)致的氣動載荷的增加，可以采用降低發(fā)電機轉(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，轉(zhuǎn)矩控制器的設(shè)定值并非保持恒定，而是參考轉(zhuǎn)速反饋信號反向調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩設(shè)定值，從而實現(xiàn)輸出功率保持在額定值。

本文采用的變速風(fēng)電機組功率-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立的PI控制器完成，控制器的輸入量均由發(fā)電機實測轉(zhuǎn)速確定。

為了防止驅(qū)動鏈的共振頻率影響機組的安全運行，在轉(zhuǎn)速反饋信號中串聯(lián)一個低通濾波器：

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)。

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

傳動鏈阻尼器是一個阻尼濾波器，它的傳遞函數(shù)如下：

式中G是增益，ω為阻尼振蕩頻率；τ為補償系統(tǒng)滯后時間常數(shù)；ζ為衰減系數(shù)。這個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)上增加一個傳動系統(tǒng)頻率上的很小波動，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，氣動轉(zhuǎn)矩對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變差。考慮到氣動轉(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)矩波動對機組恒功率輸出的影響。根據(jù)機組不同的運行區(qū)域，對變槳控制器的PID增益進行分區(qū)調(diào)整。

為了防止變槳動作過于頻繁，降低塔筒的振動幅度和載荷響應(yīng)，在雙PI控制器的輸入端各串聯(lián)一個塔筒阻尼器，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)向振動加速度的帶通濾波值，輸出量為發(fā)電機轉(zhuǎn)矩的額外參考信號DT，直接疊加在轉(zhuǎn)矩設(shè)定值上。

當風(fēng)電機組運行在切出風(fēng)速以上時，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)。

仿真試驗與結(jié)果分析

應(yīng)用該控制策略，以某1.5MW機組模型為對象，利用Bladed軟件進行了仿真研究。

在仿真過程中，設(shè)定機組切出風(fēng)速提高到30m/s，降功率運行區(qū)間為25m/s到30m/s。為了對比分析，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，機組的功率曲線，年發(fā)電量，極限載荷和疲勞載荷都會發(fā)生變化。以下將從這四個方面進行研究。

（1）功率曲線

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

風(fēng)電機組使用提高切出風(fēng)速控制策略時，當風(fēng)速超過某一值時會降功率發(fā)電。

在機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)能資源的情況及機組的可利用小時數(shù)，可以計算出機組發(fā)電量。為了研究方便，假定風(fēng)電場的年風(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)定功率對應(yīng)的年發(fā)電量，并與正?？刂茣r的年發(fā)電量做比較。正常發(fā)電控制時年發(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）對極限載荷的影響

一般情況下，機組的設(shè)計極限載荷既可能由發(fā)電工況產(chǎn)生，也可能由停機工況產(chǎn)生。當考慮提高切出風(fēng)速后的極限載荷對于機組的設(shè)計載荷的影響，應(yīng)該先確定其是否確實增加了設(shè)計極限載荷。這需要其與正?？刂七壿嫊r發(fā)電工況的極限載荷及空轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的極限載荷對比來確定。

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

對于風(fēng)電機組，不同的設(shè)計安全等級，對應(yīng)的50年一遇大風(fēng)不同，產(chǎn)生的極限載荷也不同。當遇極端大風(fēng)時，風(fēng)電機組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，機組不發(fā)電，提高切出風(fēng)速對這種工況的載荷不產(chǎn)生影響。機組的設(shè)計載荷需要通過對比發(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組的設(shè)計載荷。發(fā)電極限載荷增加會導(dǎo)致機組的設(shè)計載荷增加。

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)矩的方法實現(xiàn)功率下降。本文分別對降轉(zhuǎn)速法和降轉(zhuǎn)矩法進行了仿真研究，并選取機組的關(guān)鍵極限載荷和疲勞載荷進行對比分析。

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)計值，這是因為載架的極限載荷一般都產(chǎn)生在額定風(fēng)速附近。對于輪轂Myz，當功率用降轉(zhuǎn)速法降到1200kW后，數(shù)值小于設(shè)計值。

（4）對疲勞載荷的影響

為了研究方便，利用等效疲勞載荷研究降功率法對疲勞載荷的影響，在計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)鍵載荷點的疲勞載荷相對于原設(shè)計值都有所增加。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，當功率小于1200kW時增量較小，當大于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，采用降轉(zhuǎn)速方法對降低功率更為有利。對于本機組在降功率區(qū)的運行功率可設(shè)置為1200kW ，采用降轉(zhuǎn)速法降低功率，機組的年發(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

本文針對風(fēng)電場改變機組原設(shè)計切出風(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)電機組在雙PI控制算法的基礎(chǔ)上，分析了影響機組機械載荷的主要因素，提出了在高于原設(shè)計切出風(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的湍流工況對降轉(zhuǎn)矩、降轉(zhuǎn)速兩種控制策略與原雙PI控制算法進行了對比分析，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，機組運行載荷符合原設(shè)計要求，可保證機組安全。此方法可作為參考在風(fēng)電場進行推廣，提升風(fēng)電場效益，具有重要的理論研究和工程參考意義。

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

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