直驱风电机组启机角度研究

邓 栋，黄秋兰

（湘电风能有限公司，湖南湘潭411102）

1 引言

随着国内风力发电产业的迅猛发展，风资源开发的重心已逐步从三北、沿海等风资源富裕的区域向内陆风资源贫瘠的区域转移。而三北、沿海区域和内陆对比，其风能远大于内陆，湍流却远小于内陆，这就造成内陆地区风资源开发难度巨大。

为了应对内陆地区风速过低的工况，捕捉更多风能，风电机组的叶片不断加长，导致机组转动惯量不断增大，载荷不断上升。再加上内陆地区高湍流的风况，因此风电机组设计时，需要留有足够的安全裕度。

风电机组启机角度是机组在待风阶段设置的叶片角度参数，此参数如果设置过大，会造成到达切入风速而无法启机的问题；如果设置过小，当出现阵风时，会导致机组未及时并网的情况下而超速，甚至飞车。内陆区域风电机组，由于上述原因，启机角度一般设置比较大，保证机组安全，这就导致经常出现小风不能启机或者大风启机慢的现象，影响发电量。本文针对不同工况下、不同启机角度对比分析，研究内陆区域直驱风电机组启机角度对机组的影响。

2 直驱风电机组启机过程分析

直驱风电机组的启机过程见图1。

图1 风电机组启机过程

2.1 风电机组自检完成，进入待机状态，等待指令；

2.2 获得启机指令后，叶片开始顺桨，叶片角度从待机角度往启机角度变化；

2.3 叶片角度到达启机角度，进入待风状态；

2.4 捕捉风能，等待机组轮毂转速上升到合闸转速；

2.5 轮毂转速到达合闸转速后，继续启动变桨，轮毂转速继续上升，到达并网转速后，开始发电。

从上述直驱风电机组启机过程可以看出，如果启机角度设置过小，当启机过程中，突然出现大风时，有可能出现机组未完成合闸，而轮毂转速已经较高，这就相当于机组空载运行，极容易出现超速或者飞车现象。但如果启机角度设置过大，在小风状态下，机组无法捕捉到足够风能，让轮毂转速上升到合闸转速，机组不能正常启机发电。所以，合适的启机角度参数设置，是影响机组安全和发电量的重要因素。

3 载荷对比仿真分析

降低启机角度的作用是低启动桨距角时叶轮叶片的迎风面积增大，从而增加了叶轮气动扭矩的输入，使叶轮转速加快，达到缩短风机的启动时间。在风速比较低的情况下，风机启动一般会花比较长的时间，也就表现为启动难的情况。因此降低启机角度的策略只对低风速有效，只对低风速的载荷产生影响，把启机角度调低是为了让叶轮更快达到启动转速，不需要长时间等待，达到快速启动动作；对高风速的情况，叶轮能够轻松达到合闸转速，快速达到并网转速，顺利完成启动动作。

在本文的仿真分析中，对比了某机型的启动风速（3m/s）和额定风速（9.6m/s）下风电机组启动过程，并对风电机组的主控载荷做了对比。

3.1 工况选取

仿真模拟启动过程中遇阵风工况，在启机过程中遇阵风会对风机造成大的冲击载荷，风速模型见图2。

图2 风速模型

3.2 启动风速下不同启动角度仿真分析

启动风速（3m/s）的阵风下启动角度为21度和15度时风电机组轮毂转速、桨距角、塔筒主控弯矩，轮毂主控弯矩，叶根主控弯矩的对比如图3、图4、图5、图6。

图3 启动风速下轮毂转速对比

图4 启动风速下桨距角对比

图5 启动风速下塔筒主控弯矩对比

图6 启动风速下轮毂主控弯矩对比

图7 启动风速下叶根主控弯矩对比

3.3 额定风速下不同启动角度仿真分析

额定风速（9.6m/s）的阵风下启动角度为21度和15度时风机转速，桨距角、塔筒主控弯矩、轮毂主控弯矩、叶根主控弯矩的对比如图8、图9、图10、图11、图12。

图8 额定风速下轮毂转速对比

图9 额定风速下桨距角对比

图10 额定风速下塔筒主控弯矩对比

图11 额定风速下轮毂主控弯矩对比

图12 额定风速下叶根主控弯矩对比

4 结论

从上述仿真结果可以看出，在低风速下降低启动角度，风电机组载荷存在一定的差异，但载荷水平较低，对风电机组载荷水平不会产生影响；在额定风速下两种启动角度的载荷相差很小，载荷的平均水平与极限水平都差别不大，对风电机组载荷水平并不存在很大影响。因此，对于内陆区域的低风速区或者超低风速区，适当降低启动角度，可减少启机时间，增加发电量而并不会造成风险。