变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化

张铭健

摘要：风能作为一种清洁能源受到人们的关注，其相较于传统的火力发电和核电站具备设计制造周期更短，建设更为灵活，对环境的影响叶更小。本文以金风兆瓦级发电机组为研究的对象，对其在发电过程中的变桨控制以及载荷优化进行了研究。

关键词：变速风力发电机组；变桨控制；载荷优化

引言：我国的风力发电技术还存在不足之处，风力发电机组的控制系统、机组动力学以及在使用过程中的故障诊断等都不太成熟。当前我国的风力发电机组技术依赖于国外引进，随着未来风力发电机组的普及和民用化，国家将对风力发电机组的技术和控制有更高的要求，对风力发电机组的变桨控制以及载荷优化进行研究对我国未来的发展有重要的意义。

一、 变桨控制的研究价值

在国际的风力发电机组研究中，变桨控制发电机组占据使用主流。在风力发电机组的发展过程中，最早使用的是定桨距的发电机，其制造简单，但是风能转化效率极低。为了提升风能转化效率，當前许多大型风力发电机组采用了变桨式发电机组，可以在风速变化时对桨叶角度等参数进行调整，可以保证电能转化和输出效率的稳定。当前研究较多的变桨方式是独立变桨控制方式，即每个叶片都会在不同风速以及不同位置的条件下对自身的角度等进行调整，其调整参数包括叶根弯矩、叶尖位移等几种。

二、 载荷的计算和优化

在风力发电机组的研究过程中，对桨叶的运行载荷进行研究对于提升机组的使用寿命和结构强度有很大的影响。桨叶设计过程中需要考虑发电机组运行中受到的载荷，也需要考虑在高风速等极短情况下的载荷，这样才能较为完善的进行桨叶的设计，提升变桨控制的实际效果。在国外的风电机组设计中，大部分机组都是在了解机组载荷以及运行情况的前提之下对如何降低日常运行载荷的控制措施进行研究。国内的研究人员通过对国外先进技术的分析，并对我国当前风电机组运行情况进行分析之后得出，在风力发电机组之中使用自适应转矩控制措施可以在运行中更为精确的对叶尖速比进行跟踪，并降低发电过程中叶片以及传动链的载荷。这一技术提升了发电机组使用寿命，也具备较强的抵抗外界环境影响的能力。

三、 变速风力发电机组的变桨控制研究

1、 基本参数

叶尖速比又称尖速比一般定义为叶尖的线速度与轮毂处风速的比值，叶尖速比和风轮吸收功率密切相关，在风力发电机没有超速的情况下，叶尖速比越大风轮吸收功率就越大。因此，低速风轮叶尖速比取值相对较小，高速风轮叶尖速比取值相对较大。

风能利用系数定义为风力发电机组从气流中转化的能量与风轮扫掠面内气流所含动能的百分比值。风能利用系数是评价风力发电机组气动性能好坏的重要参数。不同的风力发电机组的风能利用系数一般不同，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的风能利用系数也有差异，达里厄风力发电机风能利用系数为0.35，两叶片高性能风力发电机风能利用系数高达 0.47。但是，凡是并网风力发电机组的风能利用系数都应不小于 0.4。在每一个桨距角下都存在一个最大的风功率系数，此时所对应的叶尖速比即为该桨距角下的最佳叶尖速比。比较各个桨距角下的最大风功率系数可知，在桨距角为 0°时风功率系数最大，此时叶尖速比为 7.55，风功率系数为 0.482。所以为了时风力发电机在额定风速以下时能够更多的获取风能，在建立 5 MW 风力发电机模型时最初桨距角固定在 0°。

气流作用在叶片上产生使叶轮转动的力称为升力，同时，气流流过风轮会对风轮产生阻力，升力与阻力的比值称为叶片翼型升阻比。一般来说，正常工作的风力发电机组都是在三维湍流风中运行。一般把风场风速的脉动分量看成与时间和空间相关的平稳个态历经随机过程。在风场中建立惯性坐标系，从而风场中每点的风速都可以分解为横向、纵向和垂向的脉动分量与平均风速的线性叠加。湍流风具有极强的复杂性和随机性，所以经常用功率谱密度函数来表示湍流风。

2、控制研究

风力发电机组在运行过程中会受到风剪切以及湍流等情况的影响，风剪切是指在垂直方向上风速随高速变化而变化的环境，一般将风剪切分为垂直方向和水平方向，研究中仅仅考虑垂直风剪切的情况，在不同的地质环境和海拔条件下，风剪切系数会出现差别，由于垂直风剪切的影响，风力发电机组在运行中桨叶会受到不对称的作用力，进而造成故障，影响发电机组桨叶的使用寿命。为了避免风剪切影响发电机组的长期运行，在实际使用中，技术人员会根据实际情况，通过独立变桨控制策略来优化发电机组桨叶的参数值，降低了非对称湍流和风剪切对桨叶的影响，使其载荷平衡。在风力发电机正常运行过程中，闭环控制通常用于风力机的叶轮转速控制和叶片桨距角控制，通常有如下几种类型的控制器。① 定速失速调节：这种控制器下发电机直接与固定频率的电网相连，一般在正常发电过程中没有主动地空气动力控制。② 定速变桨距调节：与定速失速调节不同的是，这种控制器在运行过程中，当风速高于额定风速时，有桨距调节功能，这能是风力发电机在额定风速以上能有稳定的功率输出。③ 变速失速调节：在高风速时，利用对转速的控制能力来降低叶轮转速，目的是为了限制转速在额定转速，从而限定发电功率在所需要的水平，直到失速。④ 变速变桨距调节：该种控制器的作用是利用变频器从电网固定频率中分离出发电机转速，利用桨距控制限制高风速区时的吸收功率。

一般来说，风力发电机组的最大风功率跟踪阶段是在机组的额定风速之下，在这一速度值之上，发电机组的变桨控制就会开始运行，其将风力发电机组的转速设定在一个额定值，并根据风速和电机转速的转速差来调整桨叶的桨距角等参数。在这种控制措施之中，一般需要额外的反馈信号来对其进行调节，常用的反馈信号是叶片的方位角和叶片的叶根弯矩，控制元件根据这些参数调整发电机组桨叶的载荷，降低载荷不平衡对叶片的影响。

当环境中的风速高于发电机组的额定风速时，发电机组就会开始进行变桨控制，变桨的目的是避免载荷不平衡对桨叶的影响，降低叶片所受到的非对称力，并降低风能利用系数，使得输出功率稳定化。风电机组的桨距角和风速并不是简单的线形关系，当风速较高时，桨距角的变化会引起发电机组极大的转矩波动，因此，在高风速状态下，要想更好地控制桨距角就需要进行增益调度设计。

当采用独立变桨控制策略时，风力发电机组三个叶片的桨距角存在差异，在发电过程中，叶片桨距角的变化也呈现为周期性的变化，风剪切等因素的影响之下，叶片桨距角会随着叶片转动位置的不同发生变化。在风力发电过程之中采用独立变桨控制可以保证发电机组输出功率的稳定，也降低了在风剪切等因素的影响之下风力发电机组桨叶、塔顶等结构部分所产生的疲劳载荷，有效降低了元件的使用损伤。

结语：积极发展风力发电事业有利于我国的可持续发展，经过二十多年的发展，我国的风电装机量在世界居于前列。但是，由于风力发电机组的技术限制，风电机组的转化效率低，且在日常运行中极易出现故障，这些问题严重影响了风力发电的进行。随着风力发电产业的不断发展，风力发电技术的缺乏对未来的阻力逐渐增加。在未来的发展中学习国外先进技术，研究具有我国技术特色的变桨技术是发展的趋势。

参考文献：

[1] 刘军， 高璐. 变速风力发电机组的变桨控制及载荷优化[J]. 电气自动化， 2016， 38（1）：44-47.

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