H型垂直轴风力发电机变桨控制策略研究

吴祥辉，刘立群，赵晓博，刘 晓，董雅睿

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)



H型垂直轴风力发电机变桨控制策略研究

吴祥辉，刘立群，赵晓博，刘 晓，董雅睿

(太原科技大学电子信息工程学院，太原 030024)

针对垂直轴风力发电机自启动能力差和风能利用效率低的问题，提出了自动变桨控制策略，并搭建了H型垂直轴风力发电机实验平台。基于叶素理论对叶片进行分析，得出了叶尖速比λ<1情况下的变桨规律。将定桨距模型和自动变桨距模型进行对比，结果表明：采用自动变桨距方案可以有效的提高垂直轴风力机的自启动能力和风能利用效率。

自动变桨；H型垂直轴风力发电机；叶素理论

风力发电机是风能利用的主要设备，风力发电机有两种基本形式：水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。其中，水平轴风力发电机以风能利用率高得到人们的广泛关注，并且已有大规模的发展，但重心不稳、维修不便、噪声大等缺点始终是其未能克服的瓶颈问题。与水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有安装成本低、维修方便、重心低、不需要偏航装置、噪声小等优点，特别是在城市中更容易与建筑物集成的特点，使其拥有很大的研究潜力和价值[1]。但是垂直轴风力发电机也有其自身的缺点，一是自启动性能比较差，二是风能利用效率低于水平轴风力发电机。为了克服上述缺点，变桨距技术应运而生，通过改变垂直轴风力发电机的桨距角来控制叶片攻角的变化，从而改善叶片的气动性能，达到提高风能利用率的目的[2-3]。目前，垂直轴风力发电机以定桨距结构为主，很大程度上限制了垂直轴风力发电机的应用范围。本文研究了垂直轴风机的数学建模和机构设计，提出了H型垂直轴风力发电机的自动变桨控制策略，提高了垂直轴风力发电机的自启动能力，通过MATLAB仿真对比了定桨距和变桨距对垂直轴风力发电机的风能利用率的影响。并且在机械结构设计上，利用步进电机的精确性和涡轮蜗杆减速机的自锁功能使垂直轴风力发电机的变桨更加精确。

1 自动变桨距垂直轴风力机原理

1.1 风机参数和工作原理

图1 垂直轴风力发电机结构图Fig.1 The structure of VAWT

表1 垂直轴风力发电机参数Tab.1 The prototype and parameters of VAWT

自动变桨距垂直轴风力发电机如图1所示。将风速风向仪所测得的风速信号V0和旋转编码器测得的方位信号θ，桨距角信号β和叶尖速信号U传输给控制器DSP，由控制器根据这些数据按照一定的函数关系计算出每个叶片此时的最佳桨距角。步进电机根据控制器发出来的反馈信号以及旋转编码器反馈的桨距角信号，与涡轮蜗杆减速机互相配合来驱动叶片使其处于最佳的攻角位置，构成一个实时变桨系统[4-5]。垂直轴风力发电机在运行的过程中会按照所设计的变桨距方案实时控制每个叶片的桨距角，从而达到提高风力机自启动能力和风能利用率的目的。

自动变桨距垂直轴风力发电机的特点：风机整体采用钢架结构，制造与运输方便。发电装置和控制板安装在风机底部，便于安装与维护。风机主轴、叶轮和叶轮支架、动力输出设备、发电机输出装置和控制器装置可相互分离，使风机的设计、加工、安装更加方便。

1.2 风机独立变桨机构

风速风向仪：如图2(a)外壳为铝合金材材料，具有重量轻，起动转矩小，惯性低，能真实反应风速风向信息的优点。风速的测定与采样传感器的脉冲数和采样时间有关，风向的测定则由传感器的输出电压决定，不同的电压值代表了不用的方向。

旋转编码器：如图2(b)所示，通过内部固定电路，将转轴转动所产生的模拟信号转变为数字信号，从而测出叶片当前所处的具体位置。为了准确测量风轮转轴旋转的角度，编码器必须固定不动，所以将该编码器固定在转轴的顶端与风机转轴相连，固定在顶端。

步进电机和涡轮蜗杆减速器：如图2(c)所示步进电机将控制板发出的脉冲信号变换成角位移来控制转子转动。涡轮蜗杆减速机具有反向自锁功能，能够有效减小叶片的转动惯量[6]，当步进电机带动叶片转动到达特定区域时，能够使叶片停止不动，达到桨距角β保持不变的目的。

图2 变桨装置Fig.2 Variable pitch mechanism

2 基于叶素理论的空气动力学模型分析

叶素理论模型是风机叶片简化后的模型，叶素为风机叶片沿展向细分后的微段。忽略展向作用在相邻叶素上的力相互影响，将作用在叶素上的气动力元沿展向积分，得出作用在叶轮上的切向转矩力与轴向推力[7-10]。

图3为垂直轴风力机桨叶速度三角形矢量图，Rω是叶轮的旋转速度，V0为风速，W为来流风速与叶片切向速度的矢量合，称为相对风速，攻角是相对风速与叶片弦线的夹角，用α表示。

当风轮静止时，风轮的旋转角速度为零，即Rω=0 m/s.此时相对风速与来流风速等价，θ=180°和θ=0°处的叶片只受到法向力的作用，不产生使风轮旋转的切向力。而θ=-90°和θ=90°处的两个叶片与风向平行，几乎不受风的作用力，所以也没有产生驱动风轮转动的切向力。以上即为垂直轴风力发电机自启动性能差的主要原因之一。

当风轮在气流的影响下转动时，在θ=-180°和θ=0°这两个特殊位置处同样两个叶片只受法向力的作用，气流仍然不产生使风轮转动的切向力。通过图3可知各个位置的攻角变化情况，叶片的方位角θ处在-180°～0°时，气流对叶片做正功，产生使风轮旋转的正切向力；叶片的方位角处在0°～180°时，气流对叶片做负功，产生阻碍风轮旋转的负切向力。分析可得，攻角的变化范围过大，将造成切向力大幅震荡，从而使风机的运行不稳定，降低了风能利用率。通过改变叶片的桨距角，得到最佳攻角，则可以有效解决这一问题。

图3 桨叶速度三角形矢量图Fig.3 Diagram of blade speed vector

3 自动变桨风机变桨规律研究

由图3矢量三角形可知：

W=V0-U

(1)

式中：W─相对风速；V0─风速；U─叶片旋转的线速度，U=Rω.

将W和V0分解为切向和法向两个方向可得：

Wt=Rω-V0sinθ

(2)

Wn=V0conθ

(3)

Wt和Wn分别为相对风速沿叶片旋转切线方向的分量和轴向方向的分量。

攻角可以表示为：

(4)

α─叶片攻角；ω─叶片旋转角速度；R─叶片旋转半径；λ─叶尖速比。

风轮在旋转的过程中，气流产生的反作用力可以分解为两个方向，一个是与相对风速W平行的阻力，用D表示；另一个是与阻力垂直的升力，用L表示[7]。

(5)

(6)

ρ─空气密度；C1─升力系数；Cd─阻力系数；c─叶片弦长。

通过流体力学FLUENT6.3软件仿真得出平板翼型的升力系数和阻力系数曲线，根据该曲线拟合得出[15]：c1=sin2α，Cd=2sin2α.

根据图4受力分析，计算出法向力系数Cn和切向力系数Ct：

Cn=C1cosα+Cdsinα

(7)

Ct=C1sinα-Cdcosα

(8)

将叶片所受到的升力与阻力按图4中n-t坐标系分解可以得出叶片此时受到的切向力dFt和法向力dFn：

(9)

(10)

Cn─法向力力系数；Ct─切向力力系数。

风力机由4片叶片组成，则整个风轮所受的切向力为：

(11)

P=FtU

(12)

风能利用系数为：

(13)

图4 叶片受力分析图Fig.4 Force analysis on blade

图5是根据公式(4)得出的不同方位角下叶片攻角变化曲线。当选用定桨距方式时，叶片的攻角急剧变化，在某些时刻甚至大于失速攻角，尤其在λ<1时攻角变化的范围达到了-90°～90.当攻角增大到失速攻角时，气流在叶片的表面开始分离，升力系数达到峰值，超过失速攻角后，升力系数开始下降，阻力系数上升。攻角的剧烈变化降低了风力机的启动转矩，所以传统的垂直轴风力机自启动性能不佳。

图5 定桨距模式叶片攻角变化曲线Fig.5 The curve of attack ankle with fixed blade ankle

通过改变叶片的攻角使叶片的升阻比达到最大，来增加切向力矩，可使风力机的自启动能力显著提高。攻角是随着相对风速W和叶片方位角θ的变化而不断变化的，基于叶素理论，确定叶片最优变桨规律的程序流程图，如图6所示，其基本原理为：在风速V0(假设V0=10 m/s)、尖速比λ及其他风轮参数确定的情况下，求解方位角0°～360°范围内不同桨距角下的扭矩力，通过比较得出最大扭矩力，从而确定任意方位角下的最佳桨距角[8-14]。

图7为变桨规律示意图，桨距角的变化量等于风轮方位角变化量的一半，β=-θ/2+90°即风轮每逆时针转动1°，步进电机带动叶片顺时针转动0.5°，这种变桨方式称为同步变桨。在本文研究中，风力机的风轮共有四个叶片，选用易于加工的平板翼型，其对称性可使得研究大大简化。

在风轮的上风向：由于λ<1，风力做正功，所以要增大叶片的受力面积使风轮获得最大的切向力Ft进而提高垂直轴风机的风能利用率，Ft=F1sinβ-Fdcosβ.方位角为0°时，桨距角为90°时Ft最大；方位角为90°时，桨距角为45°时Ft最大；方位角为-90°时，桨距角为-45°时Ft最大。在风轮的下风向：由于风与风轮的旋转轨迹方向相反，风力做负功，所以应减小叶片的受力面积，理想状态是通过变桨装置使相对风速W与叶片弦线时刻保持平行，此时风在下风向对风轮做的负功为零，将使风力机的风能利用率显著提高。

图6 变桨规律流程图Fig.6 Flow chart for rules of blade pitch

图7 自动变桨规律Fig.7 Automatic variable pitch rules

通过流程图得出的变桨距规律，结合公式(12)和公式(13)通过在MATLAB中仿真对定桨距模式和自动变桨距模式在不同尖速比下的风能利用系数进行对比，如图8.可知垂直轴风力机采用变桨距方案比定桨距方案更易于自启动且风能利用率更高，其最佳运行尖速比范围是0.48～0.63.

图8 定桨距模式与自动变桨距模式风能利用系数对比Fig.8 The comparison of Cp between fixed pitch VAWT and variable pitch VAWT

4 结 论

本文的主要目标是提出一种能够有效提高垂直轴风力机自启动能力和风能利用率的自动变桨控制策略。首先对比定桨距方案验证了自动变桨控制策略的优越性。同时设计了一个H型垂直轴风力机，采用独立变桨机构，机械结构简单，成本降低。如何能够进一步完善风力机变桨距数学模型以及提高变桨精度和稳定性是下一步的研究方向。

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Research on Varible-pitch Control Strategy for H-type Vertical Axis of Wind Turbine

WU Xiang-hui，LIU Li-qun，ZHAO Xiao-bo，LIU Xiao，DONG Ya-rui

(School of Electronic and Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China)

The poor self-starting performance and the low efficiency of electricity generation have restricted the development of H-type vertical axis of wind turbine all the time.The automatic variable pitch scheme has been investigated to solve the above problems.In addition，experiments have been done on the H-type vertical axis of wind turbine.First，according to the theoretical analysis of blade element，the variable pitch laws when λ<1 have been obtained.Second，the performances of variable pitch model and fixed pitch model are compared.The improved self-starting performance and system efficiency by using variable-pitch laws were validated by experimental results.

automatic variable pitch，H-type vertical axis wind turbine，blade element theory

2015-04-17

中国博士后基金第7批特别资助项目(2014T70234)；中国博士后基金第53批特别资助项目(2013M530895)

吴祥辉(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电。

1673-2057(2015)06-0441-05

TK83

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.06.006