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风力发电机组最佳桨距角策略仿真与分析

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：周玲，任永，张广兴

[导读] 基于目前风电机组的大容量，塔架高度越来越高，叶片越来越长，容易造成载荷偏大这一背景，本文首先介绍了最佳桨距角策略的原理，然后通过仿真验证其效果，得出结论：最佳桨距角策略可有效防止机组超速，减少叶片动作，从而减小机组载荷，改善机组运行状况。

明阳智慧能源集团股份公司风能研究院周玲，任永，张广兴 528437

摘要：基于目前风电机组的大容量，塔架高度越来越高，叶片越来越长，容易造成载荷偏大这一背景，本文首先介绍了最佳桨距角策略的原理，然后通过仿真验证其效果，得出结论：最佳桨距角策略可有效防止机组超速，减少叶片动作，从而减小机组载荷，改善机组运行状况。
关键词：最佳桨距角策略；仿真验证
        1引言
        我国风力发电技术的开发利用起源于20世纪70年代，但是在国家的大力支持和倡导下，近些年来风力发电技术发展突飞猛进，并且取得了很大的进展[1]。可再生能源逐渐代替常规能源，可以改善生存环境，造福人类，提高我们的生活水平[2]。但随着风力发电技术的发展以及市场的需求，风力发电机组容量越来越大，叶片越来越长，极端风况设置仍然要严苛遵循GL规范要求，如果仅仅通过加强机组部件来提高机组安全性能，势必造成度电成本的增加。为降低机组载荷，提高产品竞争力，本文基于明阳某超长叶片机组模型，提出了采用最佳桨距角策略Optimal pitch schedule优化方案，并采用GH Bladed软件进行模拟仿真，对比分析了控制策略优化前后的载荷。
        2 最佳桨距角策略原理
        在大阵风或高湍流强度等的风况下，采用根据风速给定一个安全桨距角的方法，来提高变桨系统的快速性，抑制机组超速或桨叶频繁变化引起载荷过大等问题，保证机组的安全运行。
        3 工况载荷分析
        基于明阳某超长叶片机组载荷，轮毂合弯矩和偏航轴承合弯矩（最大值都发生在工况DLC1.3cb_1_4）、塔底合弯矩（最大值发生在工况DLC1.6ca_4）以及叶根合弯矩（最大值发生在工况DLC1.7aa_a_1）载荷都偏大，按GL2010规范要求，DLC1.3工况考虑风力发电机组从切入风速到额定风速范围内，遭遇极限相关阵风和风向变化，极限相关15m/s的阵风以及风向大幅度变化，容易造成轮毂合弯矩以及偏航轴承合弯矩非常大；DLC1.6工况考虑风力发电机组从0.8倍的额定风速到切出风速范围内，遭遇50年一遇的极端阵风；DLC1.7工况考虑风力发电机组从额定风速到切出风速范围内，遭遇极端风剪切风况（extreme wind shear，简称EWS）。
        分析时序可知，叶轮转速随着风速的增加也迅速增加，直致机组超速，DLC1.3最大发电机转速为1974.8rpm，超过机组软件超速极限设定值1950rpm，触发软件超速故障停机；DLC1.6工况发电机最大转速达2234.87rpm，超过机组安全链超速极限设定值2050rpm，触发安全链故障停机，塔底合弯矩极端最大值发生在触发安全链故障停机过程中。因此我们拟采用Optimal pitch schedule策略，根据风速给定一个安全桨距角的方法，来提高变桨系统的快速性，抑制机组超速从而避免载荷偏大。
        4 仿真验证及结果对比
        首先，基于C++修改代码，并GH Bladed进行联调，实现功能模块。再根据基于GH Bladed 中的Steady power curve功能模块，计算出稳态运行状态下风速及对应桨距角大小，作为设定对应参数的依据，设置好相关参数，进行仿真计算。
        其次，仿真验算，进行载荷对比。仿真载荷结果如图1到图4所示，其中图1为控制策略优化前后DLC1.3cb_1_3工况轮毂定坐标系合弯矩图，图2为控制策略优化前DLC1.3cb_1_3工况偏航轴承合弯矩载荷图，图3为控制策略优化前后DLC1.6ca_4工况塔底合弯矩图，图4为控制策略优化前后DLC1.7aa_a_1工况叶片3合弯矩图。说明：所示图中黑线为原控制器下曲线，红线为加入Optimal pitch schedule控制策略优化后的曲线。

从图1到图4可以明确的看到，最佳桨距角策略增加前后，通过调节不同风速下的桨距角，防止了极端阵风下发电机转速增加过快，抑制了机组超速，使得DLC1.3、DLC1.6工况的载荷得到大幅度的降低（轮毂定坐标系下合弯矩降低25%，偏航轴承合弯矩降低21.4%，塔底部合弯矩降低17.9%），DLC1.7工况所对应的叶根合弯矩降低4.5%，其风速基本无变化，只是水平方向风剪切系数大幅度变化，但由于Optimal pitch schedule策略改变了额定风速附近处的桨距角，减小了额定风速附近机组所受推力大小，所以DLC1.7工况所对应载荷仍然有降低。
因此通过根据风速给定一个安全桨距角的方法，提高变桨系统的快速性可以有效的降低载荷。但由于此策略是通过根据风速限定了桨距角大小，减小机组在高风速下所受推力的方法来降低机组载荷，因此会影响机组在高风速下对风能量的捕获，对发电量造成损失，因此在采用此策略进行降载优化时，应综合分析评估载荷和发电量。
参考文献
[1]斯卡尔.变速恒频交流励磁风力发电机系统及其控制原理研究：(硕士学位论文).南京：河海大学，2004.
[2]李建林，许洪华.风力发电中的电力电子变流技术.北京：机械出版社，2008.
[3]李树江，周玲.双馈风力发电机的变论域模糊控制.电气技术，2010，12：13-17.