風力發電機組機艙溫度場均勻性控制研究及應用

馬鐵強,孫德濱,蘇陽陽，王士榮

(1.沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業大學 電氣工程學院， 遼寧 沈陽 110870；3.沈陽工業大學 風能技術研究所， 遼寧 沈陽 110023)

·實驗研究·

風力發電機組機艙溫度場均勻性控制研究及應用

馬鐵強1,孫德濱1,蘇陽陽2，王士榮3

(1.沈陽工業大學 機械工程學院， 遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業大學 電氣工程學院， 遼寧 沈陽 110870；3.沈陽工業大學 風能技術研究所， 遼寧 沈陽 110023)

為解決風力發電機組機艙內部溫度場分布不均勻導致機艙內部主要熱源(如發電機、齒輪箱等)因超溫報警停機問題，選取傳統的“下送尾排”式風力發電機組為研究對象，引入基于熱源擾動的溫度場均勻性評價指標，通過正交試驗優化設計，使該指標達到極小，分析了外界環境溫度、風速、送風口尺寸大小、排風口尺寸大小等影響因子對風力發電機組機艙內部溫度場均勻性的影響，從而在原有溫度定值控制基礎上，機艙內局部差異減小，提高換熱效率; 最后通過溫度優化控制系統既能實現熱源部件的最佳工作溫度，又能保障機艙內部溫度場分布的均勻性。

風力發電機組；熱源擾動；正交試驗；溫度場均勻性；溫度優化控制系統

0 前言

風力發電機組運行于復雜氣候環境，既受到外部復雜環境的影響，同時也受到內部部件熱量變換及熱性能的影響。為了預防鹽霧、沙塵等復雜環境的影響，通常情況下發電機、齒輪箱、控制柜等主要熱源部件放置在封閉機艙內[1-2]，系統在復雜工況下會以摩擦、碰撞、電磁損耗等多種形式產生熱量。機艙內部溫度過高會對艙內關鍵部件產生不利影響[3-4]，尤其是在夏季惡劣工況下，機艙內的零部件可能受到溫度影響而發生損壞，從而嚴重影響風力發電機組的正常工作，該問題現已得到研究人員的重視。相關研究如下：

文獻[5～9]模擬和分析了風力發電組發電機、齒輪箱的溫度場分布；文獻[10]研究了風力發電機組主軸承的滾動體接觸摩擦生熱及接觸區熱量分布規律；文獻[11] 與文獻[12]分別研究極端溫度下風力發電機組機艙熱性能和機艙散熱優化改進方法。

近年來，對于風力發電機組機艙內部散熱性能問題，主要集中于齒輪箱、發電機等單個熱源部件的溫度場分析，風力發電機組整體的散熱性能研究偏少，對于風力發電機組機艙內部溫度均勻性控制問題尚未見文獻報道，在設計風力發電機組冷卻系統時，機艙內部溫度均勻性控制不僅是冷卻系統設計的必要內容,也是保證風力發電機組在復雜工況下持久可靠運行的重要條件。研究機艙內部溫度均勻性問題尤為重要，不僅為解決由于機艙內部主要熱源引起的超溫報警停機問題提供理論支持，也為風力發電機組冷卻系統的設計和其它機型風力發電機組內部溫度場均勻性控制提供了理論參考和重要依據，因此研究風力發電機組機艙內部溫度均勻性尤為重要。

1 設計思路及流程

本文選取傳統的“下送尾排”式風力發電機組散熱布局結構，引入正交試驗設計方法，通過改變外界環境溫度、風速、送風口尺寸大小與排風口尺寸大小等影響因子進行仿真數值模擬計算分析，其中輸入的是經過系統反饋之后風力發電機組機艙內部溫度均勻性控制的CFD計算結果( 四大影響因子)，輸入系統反饋后的計算結果，經過正交試驗對機艙內部溫度場均勻性和溫度效率兩項指標的計算得到控制輸出:幾何尺寸、初始條件和邊界條件等。具體設計思路及流程如圖1所示。

圖1 設計思路及流程

2 機艙物理模型

設定風力發電機組內部的齒輪箱、發電機、控制柜等是主要熱源部件，忽略其余散熱部件和設備對機艙內部流場和溫度場的影響。本文以遼寧省某風力發電場雙饋風力發電機組為研究對象,機艙外部尺寸為 8 m×3 m×3.4 m，艙內各個部件的幾何尺寸均按照實物尺寸建模。具體物理結構如圖2所示。

圖2 機艙簡化布局結構模型

3 控制方程

設定風力發電機組機艙內部氣體不可壓縮并做定常流動，分別遵守質量、動量和能量守恒定律。

(1)機艙內氣體不可壓縮，滿足質量守恒方程。

(1)

(2)機艙內氣體在各個速度分量方向上，滿足動量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

(3)不考慮機艙內氣體的黏性耗散，滿足能量守恒方程。

(5)

式中，u為艙內氣體瞬時流速；P為氣體壓力；cP為氣體比熱容；k為氣體傳熱系數；T為氣體瞬時溫度。

4 湍流模型

在風力發電機組通風系統的作用下，機艙內部氣流做定常流動，雷諾數較大，并受機艙內部復雜結構與機艙熱布局結構等因素的影響，氣體流動程湍流狀態，采用k-ε湍流模型，具體模型方程如下：

Gb+ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中，Gk為氣體層流速度梯度產生的湍流動能；Gb為由浮力產生的湍流動能；YM、Sk、Sε為用戶定義的源項，忽略不計；σk為k方程的湍流普朗特數；σε為ε方程的湍流普朗特數。

5 邊界條件

圖3 網格劃分圖

根據IEC標準規定的部件工作溫度范圍及風電場夏季常規監測數據，設定風力發電機組機艙內部溫度場分析的溫度計算數據。由于機艙內部散熱性能與送風口、排風口的位置、風速、流量等影響因素有關，與熱源本身的溫度無關，因此選定機組穩定運行時部件外殼的溫度數據作為分析依據。具體機艙溫度場分析參數設置如表1所示。

表1 機艙溫度場分析參數

6 指標選擇

為準確描述風力發電機組機艙內部散熱性能，選取溫度均勻性指標與溫度效率指標作為參考指標，具體如下：

(1)溫度均勻性指標。為準確便捷描述風力發電機組機艙內部溫度場的均勻性，本文采用一種基于熱源擾動的溫度場分布均勻性評價方法[13]，采用溫度不均勻系數指標作為試驗指標。

(2)溫度效率指標。為準確反映風力發電機組機艙內部的排熱能力，采用溫度效率指標分析，一般情況下，排風口的排風溫度總是大于或等于工作區平均室內平均溫度, 所以溫度效率總是大于等于1,而且其值越大通風效果越好[14]。實際中的熱置換通風排污效率或溫度效率通常在1～2之間[15]。

7 溫度均勻性控制系統設計

7.1 正交試驗設計

針對不同的單因素試驗結果，通過正交試驗的試驗方法得出風力發電機組機艙溫度場均勻性控制的最優組合方案，分別分析四大影響因素對溫度場不均勻性系數和溫度效率兩個指標的影響程度。考慮實際工況要求，不均勻性系數試驗指標要求越小越好，表明對高負荷熱源散熱控制效果越好；溫度效率指標要求越大越好，表明機艙本身的排熱能力越好。

根據風力發電機組機艙外形尺寸與機艙內部氣流流動特性，在四大影響因素實際允許變化范圍內選取3個水平。通過L9(34)正交試驗表格正交篩選，具體試驗因素與水平詳見表2～5，其中表中字母A、B、C、D 分別表示環境溫度、風速、送風口尺寸和排風口尺寸等四大影響因素的代碼值。

表2 正交實驗因子水平

表3 正交試驗優化設計與結果

表4 溫度不均勻系數指標計算結果

由表格4得到：因子主次A>C>B>D，最優組合A3B3C3D3。

C、D泊位碼頭前沿供水栓兼作消火栓使用。碼頭后方需要設置2個泡沫栓，現場增設1個，間距35m位置處增設1個泡沫栓；消防給水管道采用已有給水管，泡沫栓管道采用DN100無縫鋼管，接原有泡沫管道，埋地敷設，管道埋深與原管一致。碼頭后方增加配備移動式水泡和泡沫炮各1套，以及推車式（1臺）和手提泡沫式滅火器（4具）。

表5 溫度效率指標計算結果

由表5得到：因子主次A>C>B>D，最優組合A3B1C2D3。

通過表3～5綜合分析可以得到：

(1)相比溫度效率而言，四種影響因子對機艙內部溫度場均勻性的影響更加顯著。通過比較溫度場不均勻系數與溫度效率兩個指標的變化值，可以看出隨著影響因子的不斷變化，整體而言，機艙內部溫度場不均勻性指標變化起伏較大，而溫度效率基本維持在1.4左右，比較穩定。

(2)影響風力發電機組機艙內部溫度場均勻性的主要因子是外界環境溫度，其次是送風口的尺寸大小，影響因子最弱的是排風口尺寸大小。四種影響因子影響的強弱順序同樣適用于機艙內部的溫度效率指標。

(3)比較溫度不均勻系數與溫度效率兩項指標的最優組合，最終選擇A3B3C3D3。對于環境溫度與排風口尺寸大小這兩個影響因子而言，溫度不均勻系數與溫度效率兩項指標的最優組合水平是一致的；對于風速影響因子來說，風速越大，機艙內部溫度均勻性越好，但機艙內部的溫度效率稍微降低，影響不大，由于風速對機艙內部溫度均勻性的影響比對溫度效率的影響更加顯著，因此選擇B3較好；同理，對于送風口尺寸大小的這個因子來說，選擇C3更合理。

綜上所述，最終選擇的最恰當的條件是A3B3C3D3，即外界環境溫度為15℃，風速為15 m/s，送風口尺寸與排風口的尺寸分別為600 m × 500 m，700 m ×700 m時，機艙內部溫度均勻性分布是最好的。

7.2 優化控制系統

風力發電機組機艙中的齒輪在工作運行中，由于機械傳動產生的熱量導致齒輪箱油溫上升。由齒輪箱故障導致的停機時間和維護費用在各類故障中最高[16]，齒輪箱油溫的正常溫度在10～65℃之間，最高油溫不得超過80℃[17]；發電機在工作過程中繞組的報警溫度為125℃[17]；控制柜內部包括復雜的控制設備，隨著風力發電機組的發展，控制柜內部設備越來越復雜，產生的熱量也越來越多，控制柜的工作溫度為-5～40℃[18]。齒輪箱、發電機和控制柜等主要熱源對機艙內部的溫度場分布影響較大，通過正交試驗溫度優化控制系統，既能實現機艙內部各個熱源盡量在本身正常工作溫度范圍內，又能保障機艙內部的溫度場分布的均勻性。由齒輪箱、發電機和控制柜等主要熱源的正常工作環境溫度，取三個熱源的交集溫度10～40℃之間。

具體工作過程如下：首先進行溫度均勻性控制系統的初始化操作，假設允許溫度緩沖5℃，設定溫度閾值15～35℃，通過溫度傳感器分別測得齒輪箱、發電機和控制柜的實際工作溫度，如果實際工作溫度高于35℃，啟動溫度調節系統，通過改變溫度、風速、送風口及排風口的流量大小進行降溫冷卻；同理如果實際工作溫度低于15℃，進行溫度調節系統的升溫加熱。通過正交試驗溫度均勻性控制系統實現機艙內部的各個熱源部件工作的最佳溫度，使工作效率達到最優的狀態。

基于環境溫度、風速、送風口尺寸與排風口尺寸大小等影響因子的正交試驗優化控制系統流程如圖4所示。

采用正交試驗溫度優化控制系統，在四大不同的影響因素輸入下得到溫度優化控制系統的響應結果，通過分析不同的結果，得到了四大影響因素的最優組合方式，將其最優組合方式應用于實際的風力發電機組機艙內部溫度均勻性控制，不僅實現了機艙內部各熱源部件的最佳工作溫度，而且能保障機艙內部溫度場分布的均勻性，大大提高了風力發電機組的工作效率。

圖4 正交試驗溫度優化控制系統流程圖

8 結論

(1)以機艙內部溫度場均勻性為主要對象，溫度效率為次要對象，詳細闡述了正交試驗溫度優化控制系統的控制實現的具體方法與步驟，不僅為解決由于機艙內部主要熱源引起的超溫報警停機問題提供了理論支持，同時也分別為風力發電機組冷卻系統的設計和其它機型風力發電機組內部溫度場均勻性控制提供了理論參考和重要依據，具有一定的實際工程價值。

(2)正交試驗溫度優化控制系統既能實現機艙內部各熱源部件的最佳工作溫度，又能保障機艙內部溫度場分布的均勻性，大大提高了風力發電機組的工作效率，具有較大的實際意義。

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Research and application of nacelle temperature field uniformitycontrol of wind turbine generator system

MA Tie-qiang1，SUN De-bin1，SU Yang-yang2，WANG Shi-rong3

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2.School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China；3.Institute of Wind Energy Technology，Shenyang University of Technology，Shenyang 110023,China)

Inside the nacelle of wind turbine generator system,it existed the problems of alarm and shutdown with over-temperature of the main heat sources (such as the generator, gearbox, etc.) caused by the temperature field distribution non-uniformity.This paper took the traditional structure of “bottom to tail” as the object of research. The temperature field uniformity evaluation index based on heat source perturbation was introduced and the index reached the minimum with the orthogonal test. The temperature field distribution uniformity influenced by the factors of environment temperature, wind speed, outlet size and inlet size was analyzed. The local difference inside the nacelle was reduced and the heat transfer efficiency was improved. Finally, both the optimum operating temperature of the heat source parts and the temperature field distribution uniformity were realized by the temperature optimal control system.

wind turbine generator system; heat source perturbation; orthogonal test;temperature field uniformity; temperature optimal control system

TM315

A

1001-196X(2017)05-0020-06

2016-09-14；

2016-12-03

國家自然科學基金重點項目(51537007)；國家自然科學基金項目(51207095);遼寧省科技創新重大專項(201303005)。

馬鐵強(1977-)，男，博士，講師，主要從事適應復雜環境的風力發電機組多學科耦合設計、分析和仿真理論研究和軟件研發。