變速風力發電機組的變槳控制及載荷優化

張銘健

摘要：風能作為一種清潔能源受到人們的關注，其相較于傳統的火力發電和核電站具備設計制造周期更短，建設更為靈活，對環境的影響葉更小。本文以金風兆瓦級發電機組為研究的對象，對其在發電過程中的變槳控制以及載荷優化進行了研究。

關鍵詞：變速風力發電機組；變槳控制；載荷優化

引言：我國的風力發電技術還存在不足之處，風力發電機組的控制系統、機組動力學以及在使用過程中的故障診斷等都不太成熟。當前我國的風力發電機組技術依賴于國外引進，隨著未來風力發電機組的普及和民用化，國家將對風力發電機組的技術和控制有更高的要求，對風力發電機組的變槳控制以及載荷優化進行研究對我國未來的發展有重要的意義。

一、 變槳控制的研究價值

在國際的風力發電機組研究中，變槳控制發電機組占據使用主流。在風力發電機組的發展過程中，最早使用的是定槳距的發電機，其制造簡單，但是風能轉化效率極低。為了提升風能轉化效率，當前許多大型風力發電機組采用了變槳式發電機組，可以在風速變化時對槳葉角度等參數進行調整，可以保證電能轉化和輸出效率的穩定。當前研究較多的變槳方式是獨立變槳控制方式，即每個葉片都會在不同風速以及不同位置的條件下對自身的角度等進行調整，其調整參數包括葉根彎矩、葉尖位移等幾種。

二、 載荷的計算和優化

在風力發電機組的研究過程中，對槳葉的運行載荷進行研究對于提升機組的使用壽命和結構強度有很大的影響。槳葉設計過程中需要考慮發電機組運行中受到的載荷，也需要考慮在高風速等極短情況下的載荷，這樣才能較為完善的進行槳葉的設計，提升變槳控制的實際效果。在國外的風電機組設計中，大部分機組都是在了解機組載荷以及運行情況的前提之下對如何降低日常運行載荷的控制措施進行研究。國內的研究人員通過對國外先進技術的分析，并對我國當前風電機組運行情況進行分析之后得出，在風力發電機組之中使用自適應轉矩控制措施可以在運行中更為精確的對葉尖速比進行跟蹤，并降低發電過程中葉片以及傳動鏈的載荷。這一技術提升了發電機組使用壽命，也具備較強的抵抗外界環境影響的能力。

三、 變速風力發電機組的變槳控制研究

1、 基本參數

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速的比值，葉尖速比和風輪吸收功率密切相關，在風力發電機沒有超速的情況下，葉尖速比越大風輪吸收功率就越大。因此，低速風輪葉尖速比取值相對較小，高速風輪葉尖速比取值相對較大。

風能利用系數定義為風力發電機組從氣流中轉化的能量與風輪掃掠面內氣流所含動能的百分比值。風能利用系數是評價風力發電機組氣動性能好壞的重要參數。不同的風力發電機組的風能利用系數一般不同，水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機的風能利用系數也有差異，達里厄風力發電機風能利用系數為0.35，兩葉片高性能風力發電機風能利用系數高達 0.47。但是，凡是并網風力發電機組的風能利用系數都應不小于 0.4。在每一個槳距角下都存在一個最大的風功率系數，此時所對應的葉尖速比即為該槳距角下的最佳葉尖速比。比較各個槳距角下的最大風功率系數可知，在槳距角為 0°時風功率系數最大，此時葉尖速比為 7.55，風功率系數為 0.482。所以為了時風力發電機在額定風速以下時能夠更多的獲取風能，在建立 5 MW 風力發電機模型時最初槳距角固定在 0°。

氣流作用在葉片上產生使葉輪轉動的力稱為升力，同時，氣流流過風輪會對風輪產生阻力，升力與阻力的比值稱為葉片翼型升阻比。一般來說，正常工作的風力發電機組都是在三維湍流風中運行。一般把風場風速的脈動分量看成與時間和空間相關的平穩個態歷經隨機過程。在風場中建立慣性坐標系，從而風場中每點的風速都可以分解為橫向、縱向和垂向的脈動分量與平均風速的線性疊加。湍流風具有極強的復雜性和隨機性，所以經常用功率譜密度函數來表示湍流風。

2、控制研究

風力發電機組在運行過程中會受到風剪切以及湍流等情況的影響，風剪切是指在垂直方向上風速隨高速變化而變化的環境，一般將風剪切分為垂直方向和水平方向，研究中僅僅考慮垂直風剪切的情況，在不同的地質環境和海拔條件下，風剪切系數會出現差別，由于垂直風剪切的影響，風力發電機組在運行中槳葉會受到不對稱的作用力，進而造成故障，影響發電機組槳葉的使用壽命。為了避免風剪切影響發電機組的長期運行，在實際使用中，技術人員會根據實際情況，通過獨立變槳控制策略來優化發電機組槳葉的參數值，降低了非對稱湍流和風剪切對槳葉的影響，使其載荷平衡。在風力發電機正常運行過程中，閉環控制通常用于風力機的葉輪轉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 定速失速調節：這種控制器下發電機直接與固定頻率的電網相連，一般在正常發電過程中沒有主動地空氣動力控制。② 定速變槳距調節：與定速失速調節不同的是，這種控制器在運行過程中，當風速高于額定風速時，有槳距調節功能，這能是風力發電機在額定風速以上能有穩定的功率輸出。③ 變速失速調節：在高風速時，利用對轉速的控制能力來降低葉輪轉速，目的是為了限制轉速在額定轉速，從而限定發電功率在所需要的水平，直到失速。④ 變速變槳距調節：該種控制器的作用是利用變頻器從電網固定頻率中分離出發電機轉速，利用槳距控制限制高風速區時的吸收功率。

一般來說，風力發電機組的最大風功率跟蹤階段是在機組的額定風速之下，在這一速度值之上，發電機組的變槳控制就會開始運行，其將風力發電機組的轉速設定在一個額定值，并根據風速和電機轉速的轉速差來調整槳葉的槳距角等參數。在這種控制措施之中，一般需要額外的反饋信號來對其進行調節，常用的反饋信號是葉片的方位角和葉片的葉根彎矩，控制元件根據這些參數調整發電機組槳葉的載荷，降低載荷不平衡對葉片的影響。

當環境中的風速高于發電機組的額定風速時，發電機組就會開始進行變槳控制，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，并降低風能利用系數，使得輸出功率穩定化。風電機組的槳距角和風速并不是簡單的線形關系，當風速較高時，槳距角的變化會引起發電機組極大的轉矩波動，因此，在高風速狀態下，要想更好地控制槳距角就需要進行增益調度設計。

當采用獨立變槳控制策略時，風力發電機組三個葉片的槳距角存在差異，在發電過程中，葉片槳距角的變化也呈現為周期性的變化，風剪切等因素的影響之下，葉片槳距角會隨著葉片轉動位置的不同發生變化。在風力發電過程之中采用獨立變槳控制可以保證發電機組輸出功率的穩定，也降低了在風剪切等因素的影響之下風力發電機組槳葉、塔頂等結構部分所產生的疲勞載荷，有效降低了元件的使用損傷。

結語：積極發展風力發電事業有利于我國的可持續發展，經過二十多年的發展，我國的風電裝機量在世界居于前列。但是，由于風力發電機組的技術限制，風電機組的轉化效率低，且在日常運行中極易出現故障，這些問題嚴重影響了風力發電的進行。隨著風力發電產業的不斷發展，風力發電技術的缺乏對未來的阻力逐漸增加。在未來的發展中學習國外先進技術，研究具有我國技術特色的變槳技術是發展的趨勢。

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