風(fēng)力機(jī)變槳距控制的風(fēng)速差異分析

風(fēng)力機(jī)變槳距控制的風(fēng)速差異分析

0變槳距控制原理現(xiàn)在，風(fēng)力機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)正朝著大型化發(fā)展。風(fēng)力機(jī)塔架越來(lái)越高,葉片半徑越來(lái)越長(zhǎng),使得風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)風(fēng)力機(jī)的影響越來(lái)越顯著。風(fēng)切變是指由于地面存在摩擦,風(fēng)速隨高度變化而變化。塔影效應(yīng)是指由于受到塔架的阻塞而導(dǎo)致風(fēng)速的變化。因此,風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪掃掠面內(nèi)的風(fēng)速隨高度和位置不同而存在差異。風(fēng)速的差異會(huì)造成葉片上氣動(dòng)力的變化,進(jìn)而造成輸出功率的波動(dòng)和葉片載荷的周期性波動(dòng),縮短了風(fēng)力機(jī)的使用壽命。國(guó)外研究人員已將模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制技術(shù)應(yīng)用于大容量風(fēng)電機(jī)組變槳距控制領(lǐng)域~,其技術(shù)日趨成熟。國(guó)內(nèi)在變槳距技術(shù)方面起步較晚,一些研究將模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)應(yīng)用于變槳距控制方法,并取得了一些成果,但是都是以輪轂處的風(fēng)速為參考風(fēng)速進(jìn)行的集中變槳控制,沒(méi)有考慮到風(fēng)速的空間分布。本文建立了考慮風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的風(fēng)速模型,以風(fēng)力機(jī)葉片軸心處風(fēng)速為參考風(fēng)速,對(duì)某型1.5MW風(fēng)力機(jī)各葉片進(jìn)行集中變槳控制,通過(guò)仿真來(lái)驗(yàn)證風(fēng)速空間的不均勻分布對(duì)風(fēng)力機(jī)功率和葉片壽命產(chǎn)生的影響,以此說(shuō)明根據(jù)風(fēng)力機(jī)葉片的載荷對(duì)3個(gè)葉片進(jìn)行獨(dú)立的變槳距控制是一個(gè)必然的發(fā)展趨勢(shì)。1風(fēng)速影響范圍和塔影效應(yīng)時(shí)對(duì)比圖1是一個(gè)上風(fēng)向水平軸風(fēng)力機(jī)的示意圖。在垂直方向上,風(fēng)速隨高度的增加而增加。造成這種現(xiàn)象的原因包括動(dòng)力因素和熱力因素,前者主要指地面的摩擦效應(yīng),即地面的粗糙度,后者主要表現(xiàn)為與近地層大氣垂直穩(wěn)定度的關(guān)系。風(fēng)切變的變化規(guī)律可用如下的指數(shù)規(guī)律表示:式中:V(z)是高度z處的風(fēng)速;Vh為高度h處的參考風(fēng)速;α與地面粗糙度有關(guān),具體數(shù)值見(jiàn)表1。在式(1)中引入葉片方位角θ,式(1)可表示為式中:r為葉片的微元半徑。在輪轂中心參考風(fēng)速為9m/s,塔架高度為66m,風(fēng)輪半徑為41.5m,α為0.2條件下進(jìn)行仿真,得到風(fēng)速在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的分布情況(圖2)。圖2直觀地表明了由于風(fēng)切變的影響,距輪轂中心越遠(yuǎn),在葉片上部垂直位置的風(fēng)速越大,旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的風(fēng)速波動(dòng)也越大。塔影效應(yīng)反應(yīng)了塔架對(duì)氣流的阻滯效果,使上游和下游的風(fēng)速均減小。由于塔影效應(yīng)主要存在于下半平面120°的范圍內(nèi),所以只須要在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)下半平面加上一個(gè)額外參數(shù)vt代表塔影效應(yīng)的影響:式中:m=1+α(α-1)R2/(8h2),R為風(fēng)輪半徑;c為塔架半徑;x為葉片微元距塔架軸線的距離,即懸垂距離。因此,考慮風(fēng)切變和塔影效應(yīng)后,風(fēng)速模型可以表示為當(dāng)時(shí),當(dāng)時(shí),同樣以輪轂中心參考風(fēng)速為9m/s,塔架半徑為2.1m,懸垂距離為4m進(jìn)行仿真,得到風(fēng)速在風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的分布情況(圖3)。圖3反映了在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi),葉片進(jìn)入塔影區(qū)后,風(fēng)速會(huì)有一個(gè)急速的降低,這會(huì)造成葉片轉(zhuǎn)矩和彎矩同時(shí)減小,從而引起功率的波動(dòng)和載荷的不平衡。2風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的輸出扭矩計(jì)算通常通過(guò)氣動(dòng)設(shè)備子模型建模來(lái)計(jì)算風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪輸出轉(zhuǎn)矩。由于該建模方法從根本上說(shuō)是通過(guò)能量守恒原理來(lái)計(jì)算風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩,它要求這個(gè)風(fēng)輪平面的參考風(fēng)速是統(tǒng)一的,這就無(wú)法滿足前面建立的風(fēng)速模型。所以,本研究采用葉素理論進(jìn)行風(fēng)輪建模(圖4)?；谌~素理論的風(fēng)輪建模是將葉片分為若干個(gè)微元(葉素),通過(guò)對(duì)葉素的受力分析求得微元轉(zhuǎn)矩,再將所有微元轉(zhuǎn)矩相加得到風(fēng)力發(fā)電機(jī)風(fēng)輪的輸出轉(zhuǎn)矩。設(shè)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)角速度為ω,垂直于風(fēng)輪平面的無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流風(fēng)速為V∞,則至風(fēng)輪中心距離為r,長(zhǎng)度為dr的葉素的受力情況如圖4所示。葉素dr在相對(duì)速度為w的氣流作用下,受到一個(gè)斜向上的氣動(dòng)力dF。將dF沿與相對(duì)速度w垂直及平行的方向分解為升力dL和阻力dD,當(dāng)dr很小時(shí),可以近似地將葉素面積看成弦長(zhǎng)與葉素長(zhǎng)度的乘積,即dS=ldr。升力、阻力與葉片在氣流方向的投影面積S、空氣密度ρ及氣流速度w的平方成比例,可得如下計(jì)算公式:式中:Cl為升力系數(shù);Cd為阻力系數(shù)。按垂直和平行于旋轉(zhuǎn)平面方向可將氣動(dòng)力dF分解為dFa和dFu,因風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩dT由dFu產(chǎn)生,而dFa會(huì)產(chǎn)生葉片上的擺振載荷,也就是葉片的彎矩dM,則有:令升阻比ε=Cd/Cl,得到:式中:I為來(lái)流角,是槳距角β和葉片攻角α之和?？傓D(zhuǎn)矩T為風(fēng)輪槳葉所有葉素的轉(zhuǎn)矩微元dT之和,總彎矩M為風(fēng)輪槳葉所有葉素的彎矩微元dM之和,分別進(jìn)行積分,可得:式中:r0為輪轂半徑;R為風(fēng)輪葉片半徑。3渦流對(duì)風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響葉素理論是建立在風(fēng)輪葉片無(wú)限長(zhǎng)的基礎(chǔ)上的,對(duì)于有限長(zhǎng)的葉片,風(fēng)在經(jīng)過(guò)風(fēng)輪時(shí)會(huì)形成渦流,對(duì)風(fēng)速造成一定的影響。為了使風(fēng)輪模型更接近實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī),減小風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)模型的誤差,須要對(duì)風(fēng)速及風(fēng)輪轉(zhuǎn)速稍做修正。對(duì)于空間某一給定點(diǎn),其風(fēng)速可以認(rèn)為是非擾動(dòng)的風(fēng)速和由渦流產(chǎn)生的風(fēng)速之和。渦流系統(tǒng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響可以分解為對(duì)風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響。假設(shè)渦流通過(guò)風(fēng)輪的軸向速度為va,旋轉(zhuǎn)速度為ua。由渦流理論可知,渦流形成的氣流通過(guò)風(fēng)輪的軸向速度va與風(fēng)速方向相反,旋轉(zhuǎn)速度ua方向與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速方向相同,其矢量圖見(jiàn)圖5。因此,在渦流系統(tǒng)影響下風(fēng)速由v變?yōu)関-va,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速由u變?yōu)閡+ua。假設(shè)va=av,ua=bu,a,b為渦流對(duì)風(fēng)速、風(fēng)輪角速度的影響程度,分別稱為軸向誘導(dǎo)速度系數(shù)和切向誘導(dǎo)速度系數(shù),由下式定義:式中:KL為拉格朗日系數(shù),KL=1/3;λ為葉尖速比,。因?yàn)橄鄬?duì)風(fēng)速w1為風(fēng)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的矢量和,傾角為相對(duì)風(fēng)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速間的夾角,所以在渦輪影響下,相對(duì)風(fēng)速及對(duì)應(yīng)傾角是不斷變化的?？紤]渦流影響的相對(duì)風(fēng)速為考慮渦流影響的來(lái)流角為4mw風(fēng)力機(jī)的仿真研究變槳距系統(tǒng)作為大型風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)的核心部分之一,對(duì)機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效地運(yùn)行具有十分重要的作用。穩(wěn)定的變槳距控制已成為當(dāng)前大型風(fēng)電機(jī)組控制技術(shù)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。兆瓦級(jí)風(fēng)力機(jī)的功率控制主要分為兩種工況:(1)當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí),采用變速控制,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速來(lái)追蹤最優(yōu)功率曲線,獲取最大的功率;(2)當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí),采用變槳距控制,即通過(guò)調(diào)節(jié)槳距角,減少風(fēng)輪吸收的功率,將輸出功率穩(wěn)定在額定功率。選取一臺(tái)1.5MW風(fēng)力機(jī),主要針對(duì)額定風(fēng)速以上的工況進(jìn)行仿真研究(圖6)。風(fēng)電機(jī)組的主要參數(shù):風(fēng)輪半徑R=41.5m;塔架高度h=66m,懸垂距離x=4m,塔架半徑c=2.1m,額定轉(zhuǎn)速為ω=18.5r/min;風(fēng)切變系數(shù)為α=0.2;空氣密度ρ=1.225kg/m3。圖7為風(fēng)速輸入曲線。圖8為輸出功率的仿真圖,功率可穩(wěn)定在1.55MW附近,且在風(fēng)速變化時(shí),超調(diào)也很小,滿足控制的要求,說(shuō)明變槳控制能夠很好地發(fā)揮穩(wěn)定輸出功率的作用。將圖8的穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行放大,可以發(fā)現(xiàn),功率有一個(gè)周期性的波動(dòng),而參考風(fēng)速是不變的,很明顯這是由于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)引起的風(fēng)輪平面的風(fēng)速波動(dòng)造成的。圖9為3個(gè)葉片的彎矩隨時(shí)間變化的曲線。由圖9可見(jiàn),3個(gè)彎矩在時(shí)間上相差120°相位,由于塔影效應(yīng)的影響,葉片彎矩會(huì)出現(xiàn)一個(gè)較小值。圖9可以說(shuō)明風(fēng)切變和塔影效應(yīng)對(duì)葉片彎矩的周期性影響。葉片彎矩的周期性變化會(huì)造成葉片的疲勞和整個(gè)風(fēng)力機(jī)的震動(dòng),對(duì)風(fēng)力機(jī)產(chǎn)生很大的危害。圖10為槳距角隨時(shí)間變化的曲線。隨著參考風(fēng)速的變化,系統(tǒng)能正確地給出槳距角,將其局部放大可見(jiàn),由于風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響,在參考風(fēng)速不變的情況下,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也呈現(xiàn)出周期性的變化(圖11)。輸入平均風(fēng)速為15m/s的湍流風(fēng)(圖12),經(jīng)過(guò)仿真得到功率和葉片彎矩隨時(shí)間變化的曲線(圖13,14)。可見(jiàn),功率在變槳距控制下依然能得到穩(wěn)定,不過(guò)由于風(fēng)速的變化產(chǎn)生了一些波動(dòng)。3個(gè)葉片的彎矩隨著風(fēng)速的變化呈現(xiàn)近似變化,同時(shí),在風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響下產(chǎn)生周期性的波動(dòng)。5輪直徑和氣動(dòng)載荷受風(fēng)切變和塔影效應(yīng)的影響,風(fēng)輪平面內(nèi)的風(fēng)速分