基于歷階變槳控制系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能提升探究

摘要：風(fēng)力發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組也在朝著大功率、低重量、長(zhǎng)柔葉片的方向快速發(fā)展，機(jī)組對(duì)穩(wěn)定[A2]"性、可靠性、安全性等性能指標(biāo)提出了更高的要求。為提升機(jī)組性能，設(shè)計(jì)并研發(fā)了歷階變槳控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用階梯式逐級(jí)變槳，根據(jù)機(jī)組不同的功率等級(jí)，在額定風(fēng)速段動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償變槳角度，并且按照機(jī)組自身特性和實(shí)際應(yīng)用需要，在每個(gè)梯度自由調(diào)整變槳斜率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，歷階變槳控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、抑制機(jī)艙振動(dòng)、降低機(jī)組極限載荷、增加葉尖凈空極限，為機(jī)組安全、可靠運(yùn)行提供了有力保障。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電" 變槳控制" 載荷" 葉尖凈空

Exploration of Improvement of[A3]" Wind Turbine Generator System Performance Based on the Hierarchical Pitch Control System

GAO Lei^1，2 WANG Xiaohu^1，2 ZHANG Linzhong^1，2 [U4]

1. Guodian United Power Technology Co.， Ltd， Beijing， 100039 China; 2. State Key Laboratory of Wind Power Equipment and Control， Beijing， 100039 China

Abstract： As wind power generation technology continues to advance， wind turbines are also rapidly developing towards high power， low weight， and long flexible blades. The turbines have higher requirements for performance indicators such as stability， reliability， and safety. To improve the performance of the unit， a hierarchical pitch control system was designed and developed. The system adopts a stepped pitch system， dynamically compensating for the pitch angle in the rated wind speed range based on the different power levels of the unit， and freely adjusting the pitch slope freely at each gradient according to the characteristics of the unit "and the actual application needs. The experimental results show that the hierarchical pitch control system stabilizes the generator speed， suppresses the cabin vibration， reduces the maximum load of the unit， increases the clearance limit of the blade tip， and provides strong guarantees for the safe and reliable operation of the unit.

Key Words： [A5]"Wind power generation; Pitch control; Load; Blade tip clearance

隨著風(fēng)力發(fā)電行業(yè)的產(chǎn)能升級(jí)，在氣動(dòng)效應(yīng)、重力載荷、慣量載荷的影響下，大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組遇到了極限載荷增大、葉尖凈空變窄、運(yùn)行穩(wěn)定性變差等一系列問題^[1]。歷階變槳控制系統(tǒng)可以通過歷階變槳控制預(yù)補(bǔ)償槳葉角度，幫助機(jī)組平穩(wěn)轉(zhuǎn)速、減小振蕩、降低載荷、增加凈空，從而有效提升機(jī)組的運(yùn)行性能、延長(zhǎng)機(jī)組的生命周期，為機(jī)組安全運(yùn)行提供強(qiáng)力支撐。

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特性

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，代表風(fēng)力發(fā)電機(jī)組特性的某些參數(shù)發(fā)揮著重要作用^[2-3]。風(fēng)能利用系數(shù)C_p（小于0.593）隨葉尖速比λ的變化而變化，相當(dāng)于葉輪轉(zhuǎn)速的改變，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可汲取的風(fēng)能也不同，體現(xiàn)了捕獲風(fēng)能的量能等級(jí)，其[A6]"計(jì)算表達(dá)式為

式（1）中：C_p為風(fēng)能利用系數(shù)；P_s為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的真實(shí)功率，單位為W；ρ為空氣密度，單位為kg/m3；V為氣流流速，單位為m/s；S為風(fēng)輪掃風(fēng)面積，單位為m2。

葉尖速比λ是葉輪槳葉尖端的線速度與流經(jīng)葉輪氣流流速的比值，用來描述葉輪在各個(gè)氣流流速中的不同狀態(tài)，其表達(dá)式為

式（2）中：λ為葉尖速比；ω為葉輪角速度，單位為rad/s；R為葉輪半徑，單位為m；V為氣流流速，單位為m/s。

2 歷階變槳控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

在強(qiáng)湍流的風(fēng)況下，大容量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所承受的風(fēng)載荷應(yīng)力極具增加，對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定和安全都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，優(yōu)化現(xiàn)有的變槳控制策略、提出新的控制方案是該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.1 單階變槳控制

單階變槳控制是采用單斜率線性變槳控制，以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的有功功率作為控制系統(tǒng)的輸入量，以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為控制系統(tǒng)的輸出量，在有功功率接近但小于額定有功功率的位置處（即額定風(fēng)速附近），單斜率線性地調(diào)節(jié)變槳?jiǎng)幼鳎詼p小風(fēng)載對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)力沖擊^[4-5]。

單階變槳控制的優(yōu)勢(shì)在于可以平穩(wěn)機(jī)組發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，抑制轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)的波動(dòng)。但是，其缺陷也較為明顯，與原變槳控制相同，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)出現(xiàn)快速跌落的現(xiàn)象，進(jìn)而造成機(jī)組機(jī)艙較大范圍的振動(dòng)。

2.2 歷階變槳控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歷階變槳控制系統(tǒng)與單階變槳控制不同，其采用階梯式逐級(jí)變槳，按照機(jī)組自身特性和實(shí)際應(yīng)用需要，在每個(gè)梯度自由調(diào)整變槳斜率；根據(jù)機(jī)組不同的功率等級(jí)，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償槳距角。歷階變槳控制系統(tǒng)既考慮了變槳的提前性，又兼顧了變槳?jiǎng)幼鞯念l次，不會(huì)發(fā)生過于頻繁的變槳?jiǎng)幼鳌?/p>

歷階變槳控制系統(tǒng)在繼承了單階變槳控制優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也很好地彌補(bǔ)了其不足，不僅對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跌落起到支撐作用，防止發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速再次出現(xiàn)嚴(yán)重下滑，還對(duì)機(jī)艙的大幅度振動(dòng)起到了抑制作用，控制振幅在一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài) ^[6-9]。歷階變槳控制示例如圖1所示。

3 仿真分析

額定風(fēng)速附近是機(jī)組在整個(gè)運(yùn)行過程中載荷作用最為突顯的階段，也是歷階變槳控制系統(tǒng)的主要作用環(huán)節(jié)。

3.1運(yùn)行仿真分析

仿真選取了大兆瓦雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型，通過bladed仿真實(shí)驗(yàn)。在額定的湍流風(fēng)速下，機(jī)組采用3種不同的變槳控制方式，其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和機(jī)艙振動(dòng)時(shí)序?qū)Ρ冉Y(jié)果如圖2、圖3所示。

從轉(zhuǎn)速時(shí)序結(jié)果可以看出，機(jī)組采用歷階變槳控制系統(tǒng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于單階變槳控制和原變槳控制方式，不僅有效地抑制了轉(zhuǎn)速的大幅度波動(dòng)，防止了轉(zhuǎn)速過快拉升而觸發(fā)超速預(yù)警的可能，還對(duì)轉(zhuǎn)速的快速跌落起到了很好的支撐作用。

從機(jī)艙振動(dòng)時(shí)序結(jié)果可以看出，歷階變槳控制系統(tǒng)非常好地穩(wěn)定了機(jī)組的機(jī)艙振動(dòng)，相較另外兩種變槳控制方式有著顯著的優(yōu)勢(shì)。穩(wěn)定機(jī)艙振動(dòng)，可以削弱機(jī)組的能量損耗，降低噪聲干擾，預(yù)防并消除安全事故隱患，大大提高了機(jī)組各大重要部件的健康生命周期，使機(jī)組的整體性能得到了大幅提升。

3.3 載荷和凈空統(tǒng)計(jì)分析

統(tǒng)計(jì)并對(duì)比風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用3種不同的變槳控制方式的葉根極限載荷、塔底極限載荷、葉尖凈空極限，其結(jié)果如表1所示。

從葉根極限載荷的對(duì)比結(jié)果可以看出：?jiǎn)坞A變槳控制比原變槳控制減小了約0.876%，歷階變槳控制比原變槳控制減小了約1.276%；從塔底極限載荷的對(duì)比結(jié)果可以看出：原變槳控制和單階變槳控制基本相同，歷階變槳控制比其他兩種變槳控制減小了約2.86%；從葉尖凈空極限的對(duì)比結(jié)果可以看出：?jiǎn)坞A變槳控制比原變槳控制增加了約4.9%，歷階變槳控制比原變槳控制增加了約9.5%。

歷階變槳控制系統(tǒng)在各方面都取得了優(yōu)異的效果，葉根和塔筒極限載荷的減小為機(jī)組的安全性提供了保障。葉尖凈空極限的增加改善了葉片因受力不均而產(chǎn)生形變彎曲過大的情況，避免了因葉尖和塔筒安全距離過小而引發(fā) “掃塔”的安全事故。

4 結(jié)語

綜上所述，歷階變槳控制系統(tǒng)為解決大容量機(jī)組所遇到的問題起到了積極正面的作用，并在仿真實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析中得以驗(yàn)證。系統(tǒng)通過對(duì)變槳控制策略的優(yōu)化，有效平穩(wěn)了機(jī)組運(yùn)行、減小了葉根和塔筒的極限載荷、增加了葉尖凈空極限，使機(jī)組的運(yùn)行性能得到了更大的提升、健康生命周期得到了更長(zhǎng)的延續(xù)，為機(jī)組的安全性和可靠性提供了強(qiáng)有力的保障。

參 考 文 [A18]"獻(xiàn)

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