淺談風電機組偏航狀態載荷控制范文

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《軍民兩用技術與產品》2017年第9期

摘要：隨著低風速風場的不斷開發，低風速型風電機組面臨葉輪尺寸不斷增加和風況更加多變的情況。葉輪尺寸的不斷增大帶來了葉片柔性的增加，需要更加準確的仿真模型。而風況的多變導致機組長期處于偏航狀態，進而導致葉片載荷波動的加劇，對機組壽命產生較大的影響。該文基于非線性耦合模型，提出了一種獨立變槳載荷控制方法。非線性耦合模型采用了幾何精確梁和自由渦尾跡方法，更適用于大尺寸葉輪的流固耦合效應的仿真。結果顯示，提出的獨立變槳控制方法不需要復雜的控制系統和額外的傳感系統，即可以獲得較好的降載效果。

關鍵詞：風力發電；非線性流固耦合模型；幾何精確梁；自由渦尾跡；偏航狀態；載荷控制

0引言

風能是目前最成熟最具有開發價值的可再生能源之一。在中國，由于風資源豐富地區一般遠離經濟中心，對低風速風場的開發逐漸成為重點。低風速風場具有風速低和風向多變的特點。這兩個特點體現在低風速型風電機組設計上就是葉輪直徑的不斷增大以及葉片載荷波動的更加劇烈。由于平均風速的降低，為了進一步提高風能捕獲能力，提高塔架高度和增加葉輪直徑是最直接有效的手段。葉輪直徑的不斷增加推動了輕量化技術在葉片設計上的不斷應用。如果采用同比例放大葉片設計，重量和成本將呈立方增長，這顯然是不可行的，在材料和設計方面沒有實現突破前，很難大幅提升剛度重量比。因此，采用輕量化設計會導致葉片表現得更加的柔性。葉片變得更加柔性會導致葉片更容易出現幾何大變形情況、流場非定常現象以及兩者之間復雜的耦合現象[1,2]。但目前風電機組設計行業采用的主流設計方法中，在結構域仍然采用葉片小變形假設建立模型，在流體域采用定常/準定常假設，已經無法滿足大型風電機組流固耦合分析的需求，所以建立能夠滿足非線性結構和非定常氣動耦合的模型是目前研究的熱點。文獻[3]中建立了基于幾何精確梁和自由渦尾跡方法的流固耦合模型，該模型較廣泛使用的線性梁模型和動量葉素理論具有更準確的物理假設，更適用于大型風電機組流固耦合特性分析。低風速風場一般處于風況比較復雜的地區。在這些地區，風速和風向都不會保持長時間穩定。尤其在一些山嶺地帶，受地形影響，方向會頻繁變化。

1非線性流固耦合模型

考慮到低風速型風機大葉輪直徑的特點，該文使用基于幾何精確梁和自由渦尾跡理論的流固耦合模型。

1.1幾何精確梁理論

幾何精確梁[12,13]基于Reissner梁理論，其由鐵木辛柯梁發展而來，同樣采用了平截面假設，但是并沒有采用小轉角近似。通過三維有限轉動理論，可以精確描述大變形條件下的截面運動。

1.2自由渦尾跡模型

自由渦尾跡模型[14]允許尾跡渦元自由變形和運動，可較為準確的模擬尾跡的變形、卷起和運動，較好的解決流場改變帶來的非定常效應。

1.3模型驗證選取NRELUAE實驗中，風電機組處于偏航狀態的氣動力測試數據作為對比數據，用于驗證該文氣動模型對偏航狀態仿真的準確性。選取的偏航狀態為10m/s下的30°偏航狀態，選取30%、63%和95%三個位置截面的法向力系數Cn進行對比。

2偏航錯誤和偏航過程中耦合響應

偏航狀態是指來流風速方向與風電機組葉輪的旋轉軸不平行，存在一定的夾角。來流方向與葉輪轉軸的夾角被稱為偏航角。偏航角的形成原因一種是偏航系統發生錯誤，另一種是風向改變[15]。當存在偏航角時，風電機組的發電效率會大幅下降，因此需要轉動風電機組機艙，重新對準來流風向。在實際中，風向是始終會發生改變的，因此在風電機組運行中很難避免偏航誤差以及偏航過程的存在[16]。該部分采用DTU10MW風電機組模型進行仿真分析。該模型葉輪直徑達到178.3米，額定功率為10MW，額定風速為11.4m/s。該機型不是低風速機型，但是同樣具有大尺寸葉輪。

2.1偏航錯誤時風電機組耦合響應特性

風電機組大部分運行時間都是存在一定的偏航誤差的。當偏航誤差的角度較小時，對風電機組的發電功率影響不大，并不需要對風。

2.2偏航過程中的風電機組耦合響應特性

實際風電機組運行中會經常處于偏航狀態，但是偏航控制系統并不會立刻啟動，而是當偏航角大于風電機組控制所允許的最大偏航角度或是處于偏航誤差一段時間后，風電機組才會在偏航控制系統的作用下進行對風控制。常見設置是來流偏航角為8°-10°，維持時間為60s，偏航系統開始運作對風。

3偏航載荷控制方法

3.1控制方法

對于風電機組葉片和輪轂結構，長期處于偏航狀態會使其承受較大的交變載荷，對疲勞壽命的要求更高。如果能夠在一定程度上降低偏航帶來的葉片和輪轂的交變載荷，可以提高兩者使用壽命，降低維護成本。葉片帶來的偏航和俯仰力矩波動是葉片旋轉的必然產物，很難通過控制手段大幅降低。因為葉片為升力驅動，葉片在平面內承受的驅動力要遠小于在葉輪平面外的推力，因此，在偏航狀態下降載的主要目標是降低葉片承受的推力波動和葉片變形。因為葉片各個截面的推力變化并不一致，故可采用葉根軸向推力作為控制目標。本節建立的載荷控制方法基本假設是，在存在偏航誤差角的情況下，葉片的載荷受到流場和結構的動態影響較小，即認為，葉輪受到的載荷主要與偏航誤差角和葉片方位角相關，而每個風況和偏航誤差角下的葉片載荷是可以通過仿真計算和測試得到。文獻[17]針對兩葉片風機，采用自由渦尾跡方法，通過獨立變槳降低了風切變導致的載荷波動，該方法也基于同樣的假設。改變恒定風速和偏航誤差下的變槳角，可以增大或是減小葉片載荷。圖10為當偏航誤差為8°時，改變葉片變槳角對葉根軸向推力的影響。仿真風況均考慮了指數為0.2的風切變。從圖10可以看出，在每個變槳角度下，葉片的載荷變化比較接近簡單余弦函數，并且在每個方位角下，葉片載荷與變槳角存在單調變化關系。這說明兩點：首先，偏航誤差下葉片的載荷變化可以由簡單函數表示；其次，相同方位角下，不同變槳角度對應的葉片載荷可以通過對有限個變槳角對應的載荷插值估算，反之也可以估算某一載荷應對應的變槳角度。

3.2偏航錯誤時載荷控制方法的應用

選擇額定風速和額定轉速下的工況作為仿真條件，選擇偏航誤差為8°。圖10已經比較了8°偏航誤差下不同變槳角對風電機組葉片載荷的影響。以0°變槳角度下的葉片根部平均軸向力為目標，對不同方位角下，不同載荷對應的方位角進行插值，可以得到理想狀態下的變槳規律。

3.3偏航過程中載荷控制方法的應用

將該載荷控制方法應用于偏航過程中，仍然采用額定風速和額定轉速作為仿真工況，來流風速為剪切風，系數為0.2。一般偏航控制采用8°偏航誤差。DTU10MWRWT的最大偏航速度為0.3°/s，故整個偏航過程持續時間為26.7s。

4結論

本文研究了使用非線性流固耦合模型研究風電機組在偏航狀態下的葉片載荷波動。非線性流固耦合模型考慮了葉片的結構幾何非線性變形和流場的非定常。建立了一種獨立變漿策略。該策略為通過對不同變槳角和不同方位角下的載荷結果進行插值，得到了能夠使用簡單三角函數描述的葉片變槳規律，避免了使用復雜的控制算法和額外的傳感設備。仿真計算結果表明，該方法可以大幅降低葉片在偏航誤差和偏航過程中的載荷波動。

作者：廖明夫1；呂品1；康劉宏1；王巧艷1 單位：1.西北工業大學