刘宇航
华电福新能源股份有限公司吉林分公司
摘要:和火力发电相比，风能是一种清洁型能源，并且可再生，和火力发电以及核电发电相比，其设计周期更短，建设的形式和选择也非常灵活，同时不会对环境产生较大的影响。但是我国风力发电技术仍然存在一定程度的不足，无论是发电机组的控制技术、还是相关系统、乃至于一系列故障诊断技术都有待于进一步完善。现在我国风力发电机组仍然以从国外引进为主，在未来，风力发电机会越来越普遍，同时相关技术也会被提出更高的要求，所以从这个角度上来看，风力发电机组变桨控制以及荷载优化都成为了相当重要的课题。
关键词:变速风力发电机组；变桨控制；载荷优化
在今年的风力发电机组相关研究当中，变桨控制发电机占据着最大的比例，风力发电机组发展的历程当中，定桨距发电机应用最早，其优势在于结构相当简单，但是风能转化率不够。为了可以让风能转化率不断提高，现在很多大型风力发电机组都采用变桨发电机组，这种变桨发电机组的优势就是可以在风速出现变化时调整桨叶，大大提高了电能转化效率。但是如何控制变桨方式、调节角度，就成为了一系列技术要点。
一、关于荷载计算和荷载优化的分析
风力发电机组研究工作当中，桨叶运行荷载的研究内容非常关键，其可以大大提高发电机组的使用寿命，保证结构强度。在桨叶设计的过程中，需要考虑运行过程中的载荷问题，也要考虑到在极端风速下的载荷问题。现在过殴外风电机组设计的过程中，其首先需要了解机组荷载情况以及实际运行情况，大部分机组都在设计过程中解决了相关问题，将运行荷载降到了最低。现在国内的研究领域，已经分析了国外的先进技术，并且结合了国内的实际情况，最终得出结论，最为适宜我国的风力发电机组设计应当采取自适应转矩控制措施，这样才能更大地降低设备的载荷，让其使用寿命得到保证。
二、边素芳English发电机组变桨控制
（一）基本参数
叶尖速，也别成为尖速比，其概念是叶尖所在县的速度和轮毂处风速之间的比，叶尖速比和风轮吸功率之间的关系非常密切，如果风力发电机没有超速，那么也尖速比越高，其吸收功率就越大，反之，低速风轮叶尖速比值较低，其吸收功率就较低。
风能利用系数，其概念就是风力发电机组从气流的昂中转化能量和风轮扫掠面当中气流所包含的动能的比值，大多用百分比表示。风能利用系数一直以来都是针对风力发电机组气动性能好坏的评价标准，正常来说，不同的风力发电机组的风能利用系数一般不同，水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机的风能利用系数也有差异，达里厄风力发电机风能利用系数为0.35，两叶片高性能风力发电机风能利用系数高达0.47。但是，凡是并网风力发电机组的风能利用系数都应不小于0.4。在每一个桨距角下都存在一个最大的风功率系数，此时所对应的叶尖速比即为该桨距角下的最佳叶尖速比。比较各个桨距角下的最大风功率系数可知，在桨距角为0°时风功率系数最大，此时叶尖速比为7.55，风功率系数为0.482。所以为了时风力发电机在额定风速以下时能够更多的获取风能，在建立5MW风力发电机模型时最初桨距角固定在0°。
气流作用在叶片上产生使叶轮转动的力称为升力，同时，气流流过风轮会对风轮产生阻力，升力与阻力的比值称为叶片翼型升阻比。一般来说，正常工作的风力发电机组都是在三维湍流风中运行。一般把风场风速的脉动分量看成与时间和空间相关的平稳个态历经随机过程。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在风场中建立惯性坐标系，从而风场中每点的风速都可以分解为横向、纵向和垂向的脉动分量与平均风速的线性叠加。
（二）控制研究
风力发电机组在运行过程中会受到风剪切以及湍流等情况的影响，风剪切是指在垂直方向上风速随高速变化而变化的环境，一般将风剪切分为垂直方向和水平方向，研究中仅仅考虑垂直风剪切的情况，在不同的地质环境和海拔条件下，风剪切系数会出现差别，由于垂直风剪切的影响，风力发电机组在运行中桨叶会受到不对称的作用力，进而造成故障，影响发电机组桨叶的使用寿命。
为了避免风剪切影响发电机组的长期运行，在实际使用中，技术人员会根据实际情况，通过独立变桨控制策略来优化发电机组桨叶的参数值，降低了非对称湍流和风剪切对桨叶的影响，使其载荷平衡。在风力发电机正常运行过程中，闭环控制通常用于风力机的叶轮转速控制和叶片桨距角控制，通常有如下几种类型的控制器。①定速失速调节：这种控制器下发电机直接与固定频率的电网相连，一般在正常发电过程中没有主动地空气动力控制。②定速变桨距调节：与定速失速调节不同的是，这种控制器在运行过程中，当风速高于额定风速时，有桨距调节功能，这能是风力发电机在额定风速以上能有稳定的功率输出。③变速失速调节：在高风速时，利用对转速的控制能力来降低叶轮转速，目的是为了限制转速在额定转速，从而限定发电功率在所需要的水平，直到失速。④变速变桨距调节：该种控制器的作用是利用变频器从电网固定频率中分离出发电机转速，利用桨距控制限制高风速区时的吸收功率。
一般来说，风力发电机组的最大风功率跟踪阶段是在机组的额定风速之下，在这一速度值之上，发电机组的变桨控制就会开始运行，其将风力发电机组的转速设定在一个额定值，并根据风速和电机转速的转速差来调整桨叶的桨距角等参数。在这种控制措施之中，一般需要额外的反馈信号来对其进行调节，常用的反馈信号是叶片的方位角和叶片的叶根弯矩，控制元件根据这些参数调整发电机组桨叶的载荷，降低载荷不平衡对叶片的影响。
当环境中的风速高于发电机组的额定风速时，发电机组就会开始进行变桨控制，变桨的目的是避免载荷不平衡对桨叶的影响，降低叶片所受到的非对称力，并降低风能利用系数，使得输出功率稳定化。风电机组的桨距角和风速并不是简单的线形关系，当风速较高时，桨距角的变化会引起发电机组极大的转矩波动，因此，在高风速状态下，要想更好地控制桨距角就需要进行增益调度设计。
三、结语
风力发电事业对于我国的可持续发展而言是非常有利的。对于风力发电，我国已经有l-二十多年的研究历史，应用迅速推广的情况下，我国风力发电装机量已经位列第一，但是由于风力发电机的相关技术仍然没有完善，所以风能转化率仍然处于较低水平，同时相关维护技术的不完善也经常导致运行故障的出现，这些都给风力发电的开展造成了很大的不便。在未来，风力发电行业还会不断得到发展，这就需要我们积极借鉴国外先进技术，提高自身的风力发电水平。本文针对变速风力发电机组变桨控制和荷载优化情况进行了简要分析，希望可以给相关工作的开展提供一些参考。
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论文作者:刘宇航
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/7
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