风力机变桨距控制的风速差异分析

风力机变桨距控制的风速差异分析

0变桨距控制原理现在，风力机的发展趋势正朝着大型化发展。风力机塔架越来越高,叶片半径越来越长,使得风切变和塔影效应对风力机的影响越来越显著。风切变是指由于地面存在摩擦,风速随高度变化而变化。塔影效应是指由于受到塔架的阻塞而导致风速的变化。因此,风力机风轮扫掠面内的风速随高度和位置不同而存在差异。风速的差异会造成叶片上气动力的变化,进而造成输出功率的波动和叶片载荷的周期性波动,缩短了风力机的使用寿命。国外研究人员已将模糊控制、专家系统和神经网络等智能控制技术应用于大容量风电机组变桨距控制领域~,其技术日趋成熟。国内在变桨距技术方面起步较晚,一些研究将模糊控制和神经网络等技术应用于变桨距控制方法,并取得了一些成果,但是都是以轮毂处的风速为参考风速进行的集中变桨控制,没有考虑到风速的空间分布。本文建立了考虑风切变和塔影效应的风速模型,以风力机叶片轴心处风速为参考风速,对某型1.5MW风力机各叶片进行集中变桨控制,通过仿真来验证风速空间的不均匀分布对风力机功率和叶片寿命产生的影响,以此说明根据风力机叶片的载荷对3个叶片进行独立的变桨距控制是一个必然的发展趋势。1风速影响范围和塔影效应时对比图1是一个上风向水平轴风力机的示意图。在垂直方向上,风速随高度的增加而增加。造成这种现象的原因包括动力因素和热力因素,前者主要指地面的摩擦效应,即地面的粗糙度,后者主要表现为与近地层大气垂直稳定度的关系。风切变的变化规律可用如下的指数规律表示:式中:V(z)是高度z处的风速;Vh为高度h处的参考风速;α与地面粗糙度有关,具体数值见表1。在式(1)中引入叶片方位角θ,式(1)可表示为式中:r为叶片的微元半径。在轮毂中心参考风速为9m/s,塔架高度为66m,风轮半径为41.5m,α为0.2条件下进行仿真,得到风速在风轮旋转平面内的分布情况(图2)。图2直观地表明了由于风切变的影响,距轮毂中心越远,在叶片上部垂直位置的风速越大,旋转平面内的风速波动也越大。塔影效应反应了塔架对气流的阻滞效果,使上游和下游的风速均减小。由于塔影效应主要存在于下半平面120°的范围内,所以只须要在风轮旋转下半平面加上一个额外参数vt代表塔影效应的影响:式中:m=1+α(α-1)R2/(8h2),R为风轮半径;c为塔架半径;x为叶片微元距塔架轴线的距离,即悬垂距离。因此,考虑风切变和塔影效应后,风速模型可以表示为当时,当时,同样以轮毂中心参考风速为9m/s,塔架半径为2.1m,悬垂距离为4m进行仿真,得到风速在风轮旋转平面内的分布情况(图3)。图3反映了在旋转平面内,叶片进入塔影区后,风速会有一个急速的降低,这会造成叶片转矩和弯矩同时减小,从而引起功率的波动和载荷的不平衡。2风力发电机风轮的输出扭矩计算通常通过气动设备子模型建模来计算风力机风轮输出转矩。由于该建模方法从根本上说是通过能量守恒原理来计算风轮的输出转矩,它要求这个风轮平面的参考风速是统一的,这就无法满足前面建立的风速模型。所以,本研究采用叶素理论进行风轮建模(图4)。基于叶素理论的风轮建模是将叶片分为若干个微元(叶素),通过对叶素的受力分析求得微元转矩,再将所有微元转矩相加得到风力发电机风轮的输出转矩。设风轮旋转角速度为ω,垂直于风轮平面的无穷远处来流风速为V∞,则至风轮中心距离为r,长度为dr的叶素的受力情况如图4所示。叶素dr在相对速度为w的气流作用下,受到一个斜向上的气动力dF。将dF沿与相对速度w垂直及平行的方向分解为升力dL和阻力dD,当dr很小时,可以近似地将叶素面积看成弦长与叶素长度的乘积,即dS=ldr。升力、阻力与叶片在气流方向的投影面积S、空气密度ρ及气流速度w的平方成比例,可得如下计算公式:式中:Cl为升力系数;Cd为阻力系数。按垂直和平行于旋转平面方向可将气动力dF分解为dFa和dFu,因风轮转矩dT由dFu产生,而dFa会产生叶片上的摆振载荷,也就是叶片的弯矩dM,则有:令升阻比ε=Cd/Cl,得到:式中:I为来流角,是桨距角β和叶片攻角α之和。总转矩T为风轮桨叶所有叶素的转矩微元dT之和,总弯矩M为风轮桨叶所有叶素的弯矩微元dM之和,分别进行积分,可得:式中:r0为轮毂半径;R为风轮叶片半径。3涡流对风速和风轮转速的影响叶素理论是建立在风轮叶片无限长的基础上的,对于有限长的叶片,风在经过风轮时会形成涡流,对风速造成一定的影响。为了使风轮模型更接近实际运行的风力发电机,减小风力发电机整机模型的误差,须要对风速及风轮转速稍做修正。对于空间某一给定点,其风速可以认为是非扰动的风速和由涡流产生的风速之和。涡流系统对风力发电机的影响可以分解为对风速和风轮转速的影响。假设涡流通过风轮的轴向速度为va,旋转速度为ua。由涡流理论可知,涡流形成的气流通过风轮的轴向速度va与风速方向相反,旋转速度ua方向与风轮转速方向相同,其矢量图见图5。因此,在涡流系统影响下风速由v变为v-va,风轮转速由u变为u+ua。假设va=av,ua=bu,a,b为涡流对风速、风轮角速度的影响程度,分别称为轴向诱导速度系数和切向诱导速度系数,由下式定义:式中:KL为拉格朗日系数,KL=1/3;λ为叶尖速比,。因为相对风速w1为风速和风轮转速的矢量和,倾角为相对风速与风轮转速间的夹角,所以在涡轮影响下,相对风速及对应倾角是不断变化的。考虑涡流影响的相对风速为考虑涡流影响的来流角为4mw风力机的仿真研究变桨距系统作为大型风电机组控制系统的核心部分之一,对机组安全、稳定、高效地运行具有十分重要的作用。稳定的变桨距控制已成为当前大型风电机组控制技术研究的热点和难点之一。兆瓦级风力机的功率控制主要分为两种工况:(1)当风速低于额定风速时,采用变速控制,通过调节发电机的转子转速来追踪最优功率曲线,获取最大的功率;(2)当风速高于额定风速时,采用变桨距控制,即通过调节桨距角,减少风轮吸收的功率,将输出功率稳定在额定功率。选取一台1.5MW风力机,主要针对额定风速以上的工况进行仿真研究(图6)。风电机组的主要参数:风轮半径R=41.5m;塔架高度h=66m,悬垂距离x=4m,塔架半径c=2.1m,额定转速为ω=18.5r/min;风切变系数为α=0.2;空气密度ρ=1.225kg/m3。图7为风速输入曲线。图8为输出功率的仿真图,功率可稳定在1.55MW附近,且在风速变化时,超调也很小,满足控制的要求,说明变桨控制能够很好地发挥稳定输出功率的作用。将图8的稳态过程进行放大,可以发现,功率有一个周期性的波动,而参考风速是不变的,很明显这是由于风切变和塔影效应引起的风轮平面的风速波动造成的。图9为3个叶片的弯矩随时间变化的曲线。由图9可见,3个弯矩在时间上相差120°相位,由于塔影效应的影响,叶片弯矩会出现一个较小值。图9可以说明风切变和塔影效应对叶片弯矩的周期性影响。叶片弯矩的周期性变化会造成叶片的疲劳和整个风力机的震动,对风力机产生很大的危害。图10为桨距角随时间变化的曲线。随着参考风速的变化,系统能正确地给出桨距角,将其局部放大可见,由于风切变和塔影效应的影响,在参考风速不变的情况下,风轮转速也呈现出周期性的变化(图11)。输入平均风速为15m/s的湍流风(图12),经过仿真得到功率和叶片弯矩随时间变化的曲线(图13,14)。可见,功率在变桨距控制下依然能得到稳定,不过由于风速的变化产生了一些波动。3个叶片的弯矩随着风速的变化呈现近似变化,同时,在风切变和塔影效应的影响下产生周期性的波动。5轮直径和气动载荷受风切变和塔影效应的影响,风轮平面内的风速分