發電量提升技術在兆瓦級風力發電機組中的應用

丁 祥 蘭志杰

（廣東明陽風電產業集團有限公司, 廣東 中山 528437）

風電作為一種可再生的綠色能源當前在電網中所占的比例越來越大。現有的變速運行風力機以其理論上能最大限度地實現最大風能捕獲的優點正在并一直備受國內外學者的青睞，在過去的幾十年里發展出了許多理論，諸如最大功率點跟蹤MPPT算法等，也有一些有關轉換效率的理論研究文[1]證明變速風力發電系統比恒速系統效率要高38%。然而到目前為止也沒有實驗能證明某個系統能一直捕獲最大風能，這說明了風力發電系統本身具有一種不確定性。

目前，全國范圍內可利用的低風速資源面積約占全國風能資源區的68%，且均接近電網負荷的受端地區。在風能資源較好地區的風電開發受限于并網瓶頸而不斷“棄風”的背景下，低風速區風場開發逐漸引起各方關注。因此，進一步推進了機組發電性能的提升，為低風速風場客戶創造了價值就顯得尤為迫切。低風速機組由于其額定風速低，若要達到與普通機組同樣的功率輸出，就必須加大葉片以捕獲更多的風能。

受多種因素的影響，傳統變速恒頻變槳矩風力發電機組往往沒有運行在最佳CP-λ曲線上，也就是說未能真正實現理論上的最大風能捕獲，盡管應用了類似最大功率點跟蹤MPPT算法。

本文提出的低風速微調槳葉提升發電量技術能在不增加成本的基礎上，充分發揮葉片空氣動力學固有性能，在風電機組運行在低于額定轉速時，通過槳葉調節維持最佳葉尖速比，追蹤最大風能利用系數來實現最大風能捕獲，從而達到提高風電機組發電量的目的。

1 微調槳葉控制算法

1.1 風能利用系數CP

通常，我們將風力渦輪機從自然風能中吸取能量的大小程度用風能利用系數CP來表示：

式中，PM為風力渦輪實際獲得的軸功率；ρ為空氣密度；A為葉輪的掃風面積；υ為葉輪的上游風速。

CP表示了風電機組將風能轉化成電能的轉換效率。根據貝茲（Betz）理論可以推導得出理論最大值為：CPmax=0.593。風能利用系數大小與葉尖速比和槳葉節距角有關系，如圖1所示。

圖1 葉片廠家提供的CP-λ曲線示意圖

一個機組的Cpmax大小在很大程度上取決于葉片的翼型，葉片的工藝等，而一旦葉片成形后，Cpmax將無法改變。一般情況下，Cpmax取值范圍為[0.45,0.49]。

1.2 最佳CP推導

為了表示風輪在不同風速中的狀態，用葉片的葉尖圓周速度（線速度）與風速之比來衡量，稱為葉尖速比，用λ來表示如下：

式中，ω為葉輪角速度，R為葉輪半徑，N為葉輪轉速，n為發電機轉速，G為齒輪箱變比，υ為風速。

為了使機組產生最大的機械功率，應使CP達到其最大值CPmax不變，當風速變化時就必須使機組的轉速隨風速正比變化，即有多大風速才能驅動多大的轉速，并保持一個恒定的最佳葉尖速比λopt，由（2）式可得

因而，由式（1）可得機組最大輸出功率：

根據λ與CP的關系及CP與PM之間關系，在風速固定時，不同的轉速即對應不同的λ，對應不同的CP，對應不同的PM，若設定不同的風速，就可以得到機組在不同風速下PM與轉速的關系，機組輸出的PMmax與風速的三次方成正比，也與轉速的三次方成正比。

因此，在按λopt或按PMmax運行的情況下，機組在各種風速下均可以保持CPmax不變，有下列關系式成立：

式中，TW為葉輪轉矩，Ω為葉輪角速度，TG為發電機轉矩，n為發電機角速度，在ρ不變時為常數。

由式（6）可知，Kopt受到空氣密度ρ的影響，當ρ變化時，若繼續維持λopt運行，則需動態調整Kopt跟上ρ的變化，實現CPmax。

1.3 追蹤最佳CP

當風機運行在低于額定轉速區間時，通過調節槳葉槳距角來控制葉輪轉速，維持λopt，追蹤CPmax來捕獲最大的風能，從而提高風機的實時發電功率。由圖1可知，為了實現最大風能捕獲，成功追蹤CPmax，就要將λ區間分段處理，取每一段λ區間對應的最大風能利用系數曲線，此時對應的槳葉角度即為所調。理論上，要將λ區間分為無窮小段，每一微元段對應的風能利用系數為此段最大值，對應的槳葉角度也是去窮多個。事實上，槳葉角度的調節是需要一定的響應時間和足夠的動作時間，因而實際上為了防止葉片的頻繁變槳給變槳系統帶來的不良影響，我們一般將λ區間分為3段來處理。

設定三個槳葉工作區間，λn1和λn2分別為槳距角分別為α1、α2和α3時對應CP-λ曲線的交點。根據λn1和λn2來劃分槳葉實際工作區間，即

如圖2所示，在λ＞λn1時，將槳距角調節到α2讓機組CP從曲線 1運行到曲線 2上以獲得更大的CP；同樣，在λ＞λn2時，將槳距角調節到α3讓機組CP從曲線2運行到曲線3上以獲得更大的CP，從而達到提升機組發電量的目的。

圖2 典型CP-λ曲線

由于兩個λ值的臨界點的存在，若是風速較小且不穩定，λ值在小區間[-0.5, 0.5]內不停變動，導致頻繁變槳，所以必須選取合理的λ值，真正識別是否需要進行變槳調節。

為避免槳葉頻繁動作，需在CP-λ曲線的交點λn1和λn2處設置一個回滯區間值。

2 仿真分析

為了驗證控制策略的可靠性和有效性，以明陽MY1.5型雙饋風力發電機組為對象搭建模型進行仿真分析，額定功率1500kW，額定電壓690V，額定轉速1750r/min，切入風速3m/s，切出風速25m/s，取標準空氣密度（ρ=1.225kg/m3），額定風速10.8m/s，仿真結果如圖3、圖4所示。

由不同槳距角對應的CP-λ曲線可知，當風速ν＜5m/s時，風輪轉速Ω不變，則風速v越小，葉尖速比λ越大，此時大槳距角對應的CP反而變大。根據當前風速值調整最佳槳距角（通常情況下為0°）為[0°, 1.5°]。

如圖3所示，仿真結果表明當機組運行在ν＜5m/s風速段時，槳葉角度α[0°, 1.5°]越大，功率曲線越好，槳葉角度從0°調到0.5°提升效果較好，提升比例約為3%，再繼續增大槳葉角度α，功率提升效果并不明顯。

如圖4所示，仿真結果表明當機組運行在風速8＜v＜11m/s風速段時，槳葉角度[-1.5°, 0°]越小，功率曲線越好，槳葉角度從 0°調到-0.5°提升效果較好，提升比例約為3%，再繼續減小槳葉角度α，功率提升效果并不明顯。

圖3 風速（ν＜5m/s）微調槳葉功率曲線對比

圖4 風速（8m/s ＜ν＜11m/s）微調槳葉功率曲線對比

3 現場測試及結果分析

為了驗證控制算法在實際運行中對發電量的提升效果，我們分別在華能南方某風場和大唐北方某風場進行了現場測試。

南方某風場選用66臺明陽MY1.5S型南方抗臺風型雙饋風力發電機組，選取其中的3臺機組進行了現場測試。

圖5 南方某風場測試前后功率曲線對比

初步測試結果表明發電量提升比例大約為2.22%。

北方某風場選用267臺明陽風電MY1.5Se型北方低溫型風電機組，選取其中的4臺機組進行了現場測試。

圖6 北方某風場測試前后功率曲線對比

初步測試結果表明發電量提升比例大約為2.57%。

4 結論

本文針對低風速地區風電場提升發電量的緊迫需求，制定了通過微調槳葉來捕獲最大風能的控制策略，并通過仿真分析和現場測試驗證了該控制策略的可靠性和有效性，為低風速地區發電量提升技術的研究提供了參考。

[1]葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京： 機械工業出版社, 2006.

[2]ZINGER D S, MUJADI E.Annualized wind energy improvement using variable speeds[J].IEEE Trans.on Ind.Appl, 1997, 33： 1444-1447.

[3]劉劍, 李建林, 潘磊, 等.最大風能捕獲策略研究[A].中國電工技術學會電力電子第十屆年會, 西安,2006.9： 24-26.

[4]劉其輝, 賀益康, 趙仁德.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制[J].電力系統自動化, 2003,27(20)： 62-67.