風電機組最小變槳角度的應用

文 | 王云濤，劉明超，胡明清

風電機組最小變槳角度的應用

文 | 王云濤，劉明超，胡明清

在全球資源日益稀缺的能量危機下，人們對可再生能源和清潔能源越來越重視，并且加以利用，風電機組應運而生。隨著技術水平和行業發展，機組的單機容量越來越大，而隨著單機容量的增大，對于機組各項性能要求也越來越高，可靠性越來越高，購買者希望機組能夠最大限度地吸收風能，將其轉化為電能，創造經濟效益。

本文通過研究分析葉片特性，根據葉片在不同轉速、不同變槳角度的情況下，風能利用系數不同的特性，在系統控制上找到一種控制變槳角度的方式，使機組在不同運行工況下能夠獲取最大的風能利用系數。下面介紹風電機組中最小變槳角度設定的方法，來確保機組在不同風速下獲取最大風能利用系數。

風電機組運行區域

根據不同風速，風電機組運行控制大致可分為圖1所示的4個運行區域，即啟動區、最大風能追蹤區、恒轉速區、和恒功率區。

啟動區（S0-S1）：

風速小于切入風速，發電機與電網脫網，機組不發電。

最大風能追蹤區（S1-S4）：

機組并網發電后，機組輸出功率與電機轉速有關，控制系統調節機組運行在最優Cp曲線上，實現最大風能的追蹤。

恒轉速區（S4）：

發電機轉速到達設定值，但機組輸出功率未達到額定功率，為了保護機組不受損壞，不再進行最大風能追蹤控制，而是通過槳距控制將轉速限制在相應設定值上。

恒功率區（S5-S6）：

隨著風速的增大，機組輸出的機械功率不斷增加，此時發電機和功率變換器將達到其功率極限，必須通過變槳距控制對機組功率加以限制，使風電機組處于恒轉速恒功率運行狀態。

綜上，在額定風速以下時，機組的運行不受功率限制，機組控制系統的任務是：通過對轉速的調節來跟蹤最佳Cp曲線以獲得最大風能轉化率；高風速時，最優Cp值對應的機械功率將超過機組額定功率，必須通過變槳控制來限制機組輸出功率。

最大風能追蹤機理

一、風能特性

風電機組輸出機械功率與風速有如下關系：

式中：ρ為空氣密度，單位為kg/m3；

ν為上風向風速，單位為m/s；

Cp為風能利用系數；

A為機組槳葉掃掠面積，單位為m2；

A＝πR2，R為風輪半徑。

風能利用系數Cp是關于葉尖速比λ和槳距角β的非線性函數，即：Cp（ λ ，β），當槳距角和葉尖速比發生改變，Cp值隨之變化。圖2為某機型的Cp(λ ， β)曲線圖。

二、最佳風能利用系數

從圖2可以看出，在固定葉尖速比的情況下，槳距角決定風能利用系數的大小。對于特定風電機組，在唯一的最佳葉尖速比λopt下，通過調節槳距角，使得Cp達到最大值Cpmax。當葉尖速比偏離最佳葉尖速比λopt或者槳距角改變，就會使風能利用系數Cp減小，降低風能利用及轉換效率。根據貝茨理論，風能利用系數的極限值約為0.593。

為了不用風速控制風電機組，可以修改功率表達式，以消除對風速的依賴關系，按已知的Cpmax和λopt計算Popt。根據λ＝ωR/ν，其中ω為葉輪角速度，R為葉片半徑，ν為風速；如果用轉速替代風速，則可以導出功率是轉速的函數，三次方關系仍然成立，即最佳功率Popt與轉速的三次方成正比：

假設機組在某個轉速下運行，葉尖速比為恒定，我們通過Bladed 軟件仿真得出的數據可以繪制出Cp—角度曲線，如圖3；最優Cp對應的變槳角度并非是傳統使用的0°，該葉片在葉尖速比為8.62時，最優Cp對應的變槳角度為-1°并非是傳統使用的0°。

仿真效果

表1 λ-變槳與變槳角度對應表

表2 風速與轉速對應表

就Bladed仿真來說，若風電機組為雙饋機型，選擇某機型某葉片，使用Bladed 軟件進行葉片數據仿真，可以得到CP-λ數值表，表1為某葉片仿真數據表。

從表1葉片仿真數據表中可以看出，Cpmax＝ 0.4880，對應的變槳角度是0°，葉尖速比為9.92；若設定該數值為最佳葉尖速比，風速與最優轉速關系的情況下，會得到最佳的功率輸出；表2為該機型風速與轉速對應表。

該雙饋機型風電機組發電機轉速范圍設定1100rpm－1830 rpm 為并網發電區間，在3m/s－5 m/s風速時偏離最佳的發電葉尖速比；此時若3m/s的風速對應的發電機轉速為1100rpm時，葉尖速比為：λ＝16.19，此時的Cp＝0.3267.

若此時最小變槳角度設置為最優角度2°，Cp值為Cp＝0.35，提高7%的發電量。 因此，在機組運行過程中動態改變最小變槳角度是非常有意義的。

若風電場的風速分布在3m/s－6m/s之間，首先要考慮變速箱的變速比，另外要考慮風電機組的最小變槳角度，對提高發電量是有幫助的。所以，在機組中應當重視最小變槳角度的設定。

我們可以通過查表法或者采用自動尋優的控制算法實現不同風速下最小變槳的角度的設定，如圖4為某機型的最佳變槳曲線。

結語

在國內隨著運行的風電機組數目的不斷增多，單機容量不斷增大，而一類、二類風能資源越來越少，提高運行機組單機發電效率越來越重要，各整機生產廠商都意識到提高發電效率的重要性，這就需要我們更加深入研究和優化機組控制細節，而其中動態改變最小變槳角度對提高機組的發電效率至關重要，從而對機組的年發電量的提高是非常有幫助的。

（作者單位：青島華創風能有限公司）