提高切出风速对风电机组性能及载荷的影响分析*

文|陈建强，刁争春，刘广东，李钒

提高切出风速对风电机组性能及载荷的影响分析*

文|陈建强，刁争春，刘广东，李钒

风能作为一种清洁能源，近些年越来越受到人们的关注。发电量直接影响到风电场的收益，随着大型风力发电设备制造水平的不断提高，风电机组的故障率已趋于平稳，提升风能资源的利用率就成为提高发电量的重要途径。

关于在正常风速运行范围内提升发电量的研究，国内外已经发表了大量文献，本文不再赘述。所谓风速运行范围，是指基于风电机组设计载荷的要求，设定的3－4m/s切入风速与25m/s切出风速之间的风速范围。通常机组如果超过切出风速就会自动停机。对于风能资源丰富的“三北”地区，很多风电场全年在25－30m/s的风速占比约为10%－15%。如果通过优化控制策略，能够保证风电机组安全稳定运行在这一风速段，那么即便输出功率低于额定值也能大幅度增加高风速段风能资源的利用率，从而有效提升机组发电量。判断机组运行在高于切出风速工况是否可行，重点要分析提高切出风速对机组关键部件极限载荷与疲劳载荷的影响。

本文依据动量-叶素（BEM）理论，推导出影响气动载荷的主要因素，提出高于切出风速运行的控制策略。通过载荷计算软件Bladed软件，与传统控制策略分别就发电量、功率曲线、关键部件极限载荷和疲劳载荷等性能指标进行比较，依据IEC61400-1规范，分析提高切出风速对风电机组性能及载荷的影响。

风力发电机组气动载荷

风能作为风力发电机组的主要输入动力源，对载荷和发电量的大小都起到至关重要的作用。为了评估发电量和载荷，需要首先进行气动载荷的计算。

在叶片上，取半径为r 、长度为δr 的微元，称为叶素。在风轮旋转过程中，叶素将扫掠出一个圆环。

对于一个叶片数为N、风轮半径为R、弦长为c、叶素桨距角（叶素几何弦线与风轮旋转面间的夹角）为β的风力发电机组，弦长和桨距角都沿着桨叶轴线变化。令风轮的旋转角速度为Ω，风速为v∞。同时考虑到尾流旋转，圆盘下游在距旋转轴径向距离为r的地方气流以2a'Ωr2（a'为切向气流诱导因子）的切向速度旋转。叶素的切向速度Ωr与圆盘厚度中部气流的切向速度a'Ωr之和为经过叶素的净切向流速度(1+a' )Ωr。图1所示为半径r处叶素上的速度和作用力。

图1 叶素的速度和作用力

从图2中得到的叶片上的相对合速度w为

式中a 为轴向气流诱导因子。

相对合速度与旋转面之间的夹角（气流倾角）是入流角φ，则

攻角α由下式给出

每个叶片在顺翼展方向长度为δr的升力

式中ρ为空气密度，单位为kg/m²；w为相对风速，单位为m/s；c为几何弦长，单位为m；C1为翼型升力特征系数。

平行于w的阻力为

式中Cd为翼型阻力特征系数。

c、Cl、Cd特征系数由风轮叶片的形状确定，决定着风轮从风中吸收能力的大小。

动量-叶素（BEM）定理的基本假定是：作用于叶素上的力仅与通过叶素扫掠圆环气体的动量变化有关。因此，假定通过邻近圆环的气流之间不发生径向相互作用。N个叶素上的升力和阻力分量在轴向上分解为

代入方程（7）、（8）中，同时沿顺翼展方向积分可求出单个叶片根部的法向力和切向力

由此可见，在叶片一定的情况下，气动载荷的大小主要由相对合速度w决定，由式（1）知w主要受到风速、风轮转速、气流诱导因数的影响。因此，在提高切出风速的情况下，为了抑制由于w的增加导致的气动载荷的增加，可以采用降低发电机转速和功率的方法。

图2 双PI功率-转速控制策略框图

高于切出风速控制策略

通常高风速工况下，风电机组变桨控制器采用PI或PID控制器。通过变桨控制器调节风轮转速的同时，转矩控制器的设定值并非保持恒定，而是参考转速反馈信号反向调节转矩设定值，从而实现输出功率保持在额定值。

本文采用的变速风电机组功率-转速控制策略如图2所示。变桨控制和转矩控制分别由两套独立的PI控制器完成，控制器的输入量均由发电机实测转速确定。

为了防止驱动链的共振频率影响机组的安全运行，在转速反馈信号中串联一个低通滤波器：

其中，式中ωn＝ωd＝ω为共振频率，ξn为分子衰减系数，ξd为分母衰减系数。

当风电机组达到额定转矩，发电机所能提供的负载转矩不再增加，若此时风速继续增大，风轮气动转矩将大于负载转矩，导致风轮转速超过额定转速。为了避免机组超速，应用变桨控制器来调节转速。

传动链阻尼器是一个阻尼滤波器，它的传递函数如下：

式中G是增益，ω为阻尼振荡频率；τ为补偿系统滞后时间常数；ζ为衰减系数。这个滤波器通过在额定风速以上，转矩给定值不变的情况下，在转矩给定的基础上增加一个传动系统频率上的很小波动，这样可以抵消谐振作用，有效增加阻尼效果。

高风速工况下，气动转矩对桨距角的敏感度很小，因此不同风速下变桨控制器需要不同的增益。如果采用同样的PID增益，在高风速下的控制效果将会变差。考虑到气动转矩随桨距角几乎呈线性变化，因此可以通过改变变桨控制器的全局增益，使其与桨距角呈反比例关系，这样便可降低转矩波动对机组恒功率输出的影响。根据机组不同的运行区域，对变桨控制器的PID增益进行分区调整。

为了防止变桨动作过于频繁，降低塔筒的振动幅度和载荷响应，在双PI控制器的输入端各串联一个塔筒阻尼器，由低通滤波器和带通滤波器组合而成，分别用于增加塔筒的前后方向阻尼和侧向阻尼。其中，前后方向塔筒阻尼器的输入量为塔筒顶部前后方向振动加速度的带通滤波值，输出量为变桨角度的额外增量Δθ，直接叠加在桨距角设定值上。同样，侧向塔筒阻尼器的输入量为塔筒顶部侧向振动加速度的带通滤波值，输出量为发电机转矩的额外参考信号DT，直接叠加在转矩设定值上。

当风电机组运行在切出风速以上时，逐渐降低双PI控制器的转速和功率设定值，从而保持风电机组轴扭矩恒定。转速和功率的设定值并非与风速保持线性关系，而是根据风速引入不同的调节系数。

仿真试验与结果分析

应用该控制策略，以某1.5MW机组模型为对象，利用Bladed软件进行了仿真研究。

在仿真过程中，设定机组切出风速提高到30m/s，降功率运行区间为25m/s到30m/s。为了对比分析，降功率区的功率分别设置为500kW，800kW，1000kW，1200kW，1500kW。

采用提高切出风速的控制策略后，机组的功率曲线，年发电量，极限载荷和疲劳载荷都会发生变化。以下将从这四个方面进行研究。

（1）功率曲线

机组在采用正常切出风速控制逻辑时，风速在额定风速和切出风速之间，一直以额定功率运行，当风速大于25m/s的切出风速时，机组切出，不再发电。

风电机组使用提高切出风速控制策略时，当风速超过某一值时会降功率发电。

在机组的控制器中需要增加额定功率区到降功率区的切换算控制。

（2）对发电量的影响

通过功率曲线，并结合风能资源的情况及机组的可利用小时数，可以计算出机组发电量。为了研究方便，假定风电场的年风速分布为威布尔（Weibull）分布，其形状参数k＝1.7，年平均风速为10m/s。表1所示为不同的降功率区设定功率对应的年发电量，并与正常控制时的年发电量做比较。正常发电控制时年发电量为7177MWh。

从表中知，提高切出风速后，年发电量最大可以增大9%。

表1 年发电量增加与降功率区功率关系

（3）对极限载荷的影响

一般情况下，机组的设计极限载荷既可能由发电工况产生，也可能由停机工况产生。当考虑提高切出风速后的极限载荷对于机组的设计载荷的影响，应该先确定其是否确实增加了设计极限载荷。这需要其与正常控制逻辑时发电工况的极限载荷及空转时产生的极限载荷对比来确定。

图3 轮毂中心弯矩Myz与降功率区功率关系

图4 塔顶弯矩Mxy与降功率区功率关系

图5 塔底弯矩Mxy与降功率区功率关系

图6 轮毂中心y轴方向弯矩My等效载荷与降功率区功率关系

对于风电机组，不同的设计安全等级，对应的50年一遇大风不同，产生的极限载荷也不同。当遇极端大风时，风电机组处于空转状态，机组不发电，提高切出风速对这种工况的载荷不产生影响。机组的设计载荷需要通过对比发电和空转情况下的载荷来确定。发电工况的极限载荷决定机组的设计载荷。发电极限载荷增加会导致机组的设计载荷增加。

由于功率由转矩和转速共同决定，可通过降低转速和转矩的方法实现功率下降。本文分别对降转速法和降转矩法进行了仿真研究，并选取机组的关键极限载荷和疲劳载荷进行对比分析。

从图3－5中可以看出，两种方法都可降低极限载荷，但是降转速的方法更为有效。提高切出风速后，塔架极限载荷一直小于原设计值，这是因为载架的极限载荷一般都产生在额定风速附近。对于轮毂Myz，当功率用降转速法降到1200kW后，数值小于设计值。

（4）对疲劳载荷的影响

为了研究方便，利用等效疲劳载荷研究降功率法对疲劳载荷的影响，在计算等效疲劳载荷的过程中，把疲劳载荷等效为循环次数n＝1.0E+7的等辐振荡载荷。

从图6－10中可以看出，各关键载荷点的疲劳载荷相对于原设计值都有所增加。采用降转速法的疲劳载荷的增量随降功率区的功率增大而增大，当功率小于1200kW时增量较小，当大于1200kW后，疲劳载荷迅速增加。采用降转矩法的疲劳载荷的增量随降功率区的功率增大基本保持不变，而且其值也较大。所以采用降转速法对于减小疲劳载荷的增加更为有效。

综合考虑疲劳载荷和极限载荷，提高切出风速时，采用降转速方法对降低功率更为有利。对于本机组在降功率区的运行功率可设置为1200kW ，采用降转速法降低功率，机组的年发电量可提高7.2%，极限载荷保持不变，疲劳载荷有少量增加。

图7 塔顶y方向弯矩My等效载荷与降功率区功率关系

图8 塔底y方向弯矩My等效载荷与降功率区功率关系

图9 叶根挥舞弯矩等效载荷与降功率区功率关系

图10 叶根摆振弯矩等效载荷与降功率区功率关系

结语

本文针对风电场改变机组原设计切出风速以提升发电量的需求，基于切出风速为25m/s、额定转速为1850r/min的某1.5MW双馈式风电机组在双PI控制算法的基础上，分析了影响机组机械载荷的主要因素，提出了在高于原设计切出风速工况下可能的降载荷方法及控制方法，并在平均风速为30m/s的湍流工况对降转矩、降转速两种控制策略与原双PI控制算法进行了对比分析，结果表明在转速不高于1480r/min、功率不大于1200kW的约束条件下，机组运行载荷符合原设计要求，可保证机组安全。此方法可作为参考在风电场进行推广，提升风电场效益，具有重要的理论研究和工程参考意义。

（作者单位：陈建强，刁争春，李钒：都城绿色能源有限公司新疆分公司；刘广东：鲁能集团科技信息部）

*国家电网公司科技项目《提高新疆百里风区发电能力的研究与示范》 （[2015]709号文）资助。