直驅風電機組啟機角度研究

鄧 棟，黃秋蘭

（湘電風能有限公司，湖南湘潭411102）

1 引言

隨著國內風力發電產業的迅猛發展，風資源開發的重心已逐步從三北、沿海等風資源富裕的區域向內陸風資源貧瘠的區域轉移。而三北、沿海區域和內陸對比，其風能遠大于內陸，湍流卻遠小于內陸，這就造成內陸地區風資源開發難度巨大。

為了應對內陸地區風速過低的工況，捕捉更多風能，風電機組的葉片不斷加長，導致機組轉動慣量不斷增大，載荷不斷上升。再加上內陸地區高湍流的風況，因此風電機組設計時，需要留有足夠的安全裕度。

風電機組啟機角度是機組在待風階段設置的葉片角度參數，此參數如果設置過大，會造成到達切入風速而無法啟機的問題；如果設置過小，當出現陣風時，會導致機組未及時并網的情況下而超速，甚至飛車。內陸區域風電機組，由于上述原因，啟機角度一般設置比較大，保證機組安全，這就導致經常出現小風不能啟機或者大風啟機慢的現象，影響發電量。本文針對不同工況下、不同啟機角度對比分析，研究內陸區域直驅風電機組啟機角度對機組的影響。

2 直驅風電機組啟機過程分析

直驅風電機組的啟機過程見圖1。

圖1 風電機組啟機過程

2.1 風電機組自檢完成，進入待機狀態，等待指令；

2.2 獲得啟機指令后，葉片開始順槳，葉片角度從待機角度往啟機角度變化；

2.3 葉片角度到達啟機角度，進入待風狀態；

2.4 捕捉風能，等待機組輪轂轉速上升到合閘轉速；

2.5 輪轂轉速到達合閘轉速后，繼續啟動變槳，輪轂轉速繼續上升，到達并網轉速后，開始發電。

從上述直驅風電機組啟機過程可以看出，如果啟機角度設置過小，當啟機過程中，突然出現大風時，有可能出現機組未完成合閘，而輪轂轉速已經較高，這就相當于機組空載運行，極容易出現超速或者飛車現象。但如果啟機角度設置過大，在小風狀態下，機組無法捕捉到足夠風能，讓輪轂轉速上升到合閘轉速，機組不能正常啟機發電。所以，合適的啟機角度參數設置，是影響機組安全和發電量的重要因素。

3 載荷對比仿真分析

降低啟機角度的作用是低啟動槳距角時葉輪葉片的迎風面積增大，從而增加了葉輪氣動扭矩的輸入，使葉輪轉速加快，達到縮短風機的啟動時間。在風速比較低的情況下，風機啟動一般會花比較長的時間，也就表現為啟動難的情況。因此降低啟機角度的策略只對低風速有效，只對低風速的載荷產生影響，把啟機角度調低是為了讓葉輪更快達到啟動轉速，不需要長時間等待，達到快速啟動動作；對高風速的情況，葉輪能夠輕松達到合閘轉速，快速達到并網轉速，順利完成啟動動作。

在本文的仿真分析中，對比了某機型的啟動風速（3m/s）和額定風速（9.6m/s）下風電機組啟動過程，并對風電機組的主控載荷做了對比。

3.1 工況選取

仿真模擬啟動過程中遇陣風工況，在啟機過程中遇陣風會對風機造成大的沖擊載荷，風速模型見圖2。

圖2 風速模型

3.2 啟動風速下不同啟動角度仿真分析

啟動風速（3m/s）的陣風下啟動角度為21度和15度時風電機組輪轂轉速、槳距角、塔筒主控彎矩，輪轂主控彎矩，葉根主控彎矩的對比如圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 啟動風速下輪轂轉速對比

圖4 啟動風速下槳距角對比

圖5 啟動風速下塔筒主控彎矩對比

圖6 啟動風速下輪轂主控彎矩對比

圖7 啟動風速下葉根主控彎矩對比

3.3 額定風速下不同啟動角度仿真分析

額定風速（9.6m/s）的陣風下啟動角度為21度和15度時風機轉速，槳距角、塔筒主控彎矩、輪轂主控彎矩、葉根主控彎矩的對比如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。

圖8 額定風速下輪轂轉速對比

圖9 額定風速下槳距角對比

圖10 額定風速下塔筒主控彎矩對比

圖11 額定風速下輪轂主控彎矩對比

圖12 額定風速下葉根主控彎矩對比

4 結論

從上述仿真結果可以看出，在低風速下降低啟動角度，風電機組載荷存在一定的差異，但載荷水平較低，對風電機組載荷水平不會產生影響；在額定風速下兩種啟動角度的載荷相差很小，載荷的平均水平與極限水平都差別不大，對風電機組載荷水平并不存在很大影響。因此，對于內陸區域的低風速區或者超低風速區，適當降低啟動角度，可減少啟機時間，增加發電量而并不會造成風險。