小型风力机大风限速方法的发展与研究现状

内蒙古工业大学能源与动力工程学院 冯国英 刘志璋 包道日娜

广州红鹰能源科技有限公司 戴文平

一 引言

目前，大型风力机多采用主动变桨距进行大风限速，而小型风力机的大风限速方式却不断趋于多样化。小型风力机的大风限速方式可分为空气动力控制、电磁控制和机械刹车。空气动力控制包括风轮侧偏或上仰、失速控制和变桨距控制[1,2]。电磁控制包括电磁刹车(发电机三相输出短接)、泄荷器和渐进式电磁控制[3]。其中空气动力控制和渐进式电磁控制可进行风力机功率调节，电磁刹车、泄荷器、机械刹车启动后风力机会逐渐停止功率输出。

采用不同空气动力限速方式的风力机在结构上会有所不同，如采用风轮侧偏的风力机其尾舵可绕尾梢转动，采用变桨距控制的风力机其叶片和轮毂需要特别设计，这种结构多样性使小型风力机仿真模型的建立变得更为复杂。小型风力机不同于大型风力机的另外一个特点是尾舵对风，这一性能会直接影响风力机功率和载荷[4]。本文主要介绍小型风力机各种空气动力限速机构及其仿真模型的发展与研究现状，以及尾舵空气动力学和结构动力学模型的研究进展，为我国小风电研究工作提供参考。

二 小型风力机的大风限速方式

目前，小型风力机常见的大风限速方式有风轮侧偏或上仰、被动变桨距和被动失速。按照欧盟小风电发展策略项目组(SWIIS)[5]的研究结论，在年平均风速Vmean小于5m/s、最大参考风速Vref为20m/s的地区，小型风力机可不需任何大风限速措施；Vmean小于7m/s、Vref为30～35m/s的地区，可使用风轮侧偏或上仰限速方式；Vmean高于11m/s、Vref为60m/s的地区，需要使用变桨距限速方式。

对于直径小于1m的微型风力发电机，通常不设空气动力限速装置。这种风力机主要用于为蓄电池充电，为了防止蓄电池过充及蓄电池充满后风轮发生飞车，风力机常配有泄荷器。泄荷器也用于并网运行的风力机，美国Abundant Renewable Energy的10kW风力机就使用泄荷器吸收超出逆变器允许范围的额外功率[6]。另外，泄荷器有时也被当作“柔性”电磁刹车使用[4]。

1 风轮侧偏

配重式风轮侧偏是目前使用最普遍的一种小型风力机限速方式。如博力公司的1kW、5kW和10kW风力机，美国西南公司的Wisper系列风力机，英国Marlec的1kW以下风力机，Fortis的10kW、5kW和1.4kW风力机都采用风轮侧偏限速机构。风轮上仰在小型风力机上也有所应用，如西班牙Bornay生产的0.6～6kW系列风力机。

与大型风力机相比，小型风力机技术发展较为缓慢。国内关于风轮侧偏控制方式的研究文献很少，肖占俊[7]根据实践经验对文献[11]和[12]提出的传统配重式风轮侧偏机构的设计方法做了改进；张维智[8]设计了一台带折尾机构的500W风力发电机，并做了实验测试，结果表明，风力发电机发生折尾后输出功率将大幅下降。

相关研究指出风轮侧偏机构主要有以下特点:

(1)风轮侧偏和回位对应的风速具有不确定性。风轮侧偏机构受湍流的影响较大，风轮侧偏和回位对应的风速及风轮侧偏角与风速的对应关系具有一定的不确定性。此外，风切变也会影响风轮侧偏性能[9]。如Berger 10kW[10]风力机在风速增加到约14.8m/s时尾舵开始发生侧偏，当风速在13.4～17.9m/s之间变化时，尾舵处于侧偏－回位－侧偏的摆动状态，这种不断的摆动是我们不希望发生的。Bowen[11]认为是湍流及其引起的尾翼对风不准确最终导致了风轮侧偏机构没有按照设计的情况运行。NREL对ARE442(额定功率10kW)的测试[6]也表明大风时存在尾舵没有偏转导致转速远远高于设计值的情况。

(2)湍流影响风力机的发电量和风轮载荷。总体来说，湍流强度越高，风力机发电量越少，风轮载荷越大[12,13]。Riziotis等[12]指出湍流是影响风力机疲劳寿命的一个最重要的因素。

(3)功率与风速的对应关系不确定。Bowen[11]、Summerville[14]、William[13]的风场测试结果表明风力机功率散点图存在上下两个分支。Bowen和Summerville认为其原因是尾舵回位对应的风速要小于尾舵折尾对应的风速，上面的分支对应于风力机的正常运行状态，下面的分支对应于折尾状态。但Jorge[15]的研究却显示了不同的结果，风力机在负载为12V、24V和48V蓄电池时功率散点图都没有出现分支，但在负载为12V蓄电池并联一个电阻时，功率散点图出现了上下两个分支，且并联电阻值越小，分支越明显。Jorge认为功率值较低的分支是由叶片失速引起的，风速上升时，由于风轮重载运行，风轮转速上升较慢，导致攻角较大，叶片运行在失速状态，从而风力机功率较小；一旦叶片脱离了失速运行状态，风轮转速和功率会快速上升，从而形成功率散点图上面的分支。

(4)高风速对应的平均功率远远低于额定功率。张维智[8]、Bikdash[10]、Bowen[11]、NREL[16]等的测试结果表明高风速时尾舵通常会发生偏转，风轮侧偏后功率明显下降，使得高风速对应的平均功率远远低于额定功率。但也偶尔出现高风速时风轮未发生侧偏致使风轮超速运行的情况。

(5)具有风轮侧偏机构的风力机启动风速较高，这是因为偏心距会引起风轮对风偏差[6,17]，从而使作用的风轮上有效风速降低。

2 被动变桨距

被动变桨距分为向顺桨方向变桨距和向失速方向变桨距。向顺桨方向变桨矩是指叶片向桨矩角减小的方向旋转，风速在13～25m/s的范围内，为了使功率维持在额定值，桨矩角变化范围通常为4¡～26¡；向失速方向变桨矩是指叶片向桨矩角增大的方向旋转，风速在13～25m/s的范围内，为了使功率维持在额定值，桨矩角变化范围为0¡～−4¡[5]。向失速方向变桨矩的优点是叶片旋转角度较小，缺点是叶片失速后的空气动力很难准确估算[13]。

德国Superwind的350W风力机使用离心式被动变桨矩控制，在风速12～60m/s范围内，配重的离心力驱动叶片向顺桨方向旋转约30¡，以维持额定功率输出[5]。EOLTEC的6kW风力机、Ampair的300W和600W风力机使用的是向失速方向变桨距的离心式被动变桨距限速方式。Pitchwind AB公司的PW14/30风力机使用被动变桨矩控制，但驱使叶片转动的是叶片的空气动力转矩。叶尖制动也是一种被动变桨距方式，如Ventera Energy公司的VT10使用叶尖制动作为大风限速方式，NREL的测试结果[18]表明，转速在220～240r/min时叶尖制动启动，转速低于220r/min时叶尖在弹簧力的作用下回位。

关于被动变桨距的研究文献并不多。Hertel[1]的模拟仿真结果表明，如果设计得当，变桨距控制的风力机可实现在高风速时输出功率不发生明显下降，但目前还没有实验数据能证明这一点。

3 失速控制

小型风力机的失速控制包括被动失速和柔性失速两种方式。被动失速控制结构简单、成本低、可靠性高，90年代初该限速方法广泛应用于定转速、定桨矩的中、大型风电机组[19]。该控制方法的工作原理是风速增加时，转速保持不变，作用于叶片上的攻角增大，气流从叶片表面脱离，从而发生失速。

目前，大型风电机组以变桨距控制为主，而越来越多的并网运行的小型风力机开始青睐于失速控制，但使用的仍然是定转速运行模式。如英国Gazelle的20kW风力机、Gaia-Wind的11kW风力机、德国Aerodyn和SMA合作生产的AeroSmart 5kW风力机、美国Endurance的5kW、35kW、50kW风力机。失速控制要求叶片本身具有较好的失速性能，且通常使用的是异步发电机，可直接与电网相连，电网就像一个大飞轮，无论风速的大小，始终将风轮保持在定转速(或者转速变化非常小)运行状态[20]。定转速运行的风力机的并网技术较为成熟，其并网逆变器价格要远低于变转速运行风力机的逆变器。

应用于变转速运行风力机的被动失速控制又称为柔性失速。柔性失速在理论上可行，但与定转速运行的风力机相比，其并网所需的变频器价格较高，且容量较大的定桨矩风力机通常需要配置叶尖制动装置，这使得风力机结构变得更复杂，使其相对于变桨距风力机的优势大打折扣。鉴于以上原因，该技术至今尚未应用于商业运行的大型风力机[19]。但该技术在小型风力机上已有所应用。美国西南公司的Skystream 3.7风力机使用失速控制，与传统的失速控制的风力机不同，该风力机可变转速运行，且使用的是永磁发电机[21]。

柔性失速(Soft-Stall)是指大风时通过控制发电机转速使风轮在较低尖速比状态下运行，使叶片发生失速，降低风能利用系数，从而达到控制风轮转速和功率的目的。Muljadi[22]从空气动力学角度分析了柔性失速的工作原理，但并未通过实验验证其可行性，也没有分析该控制方法的实现手段。Neal[23]提出了在风力提水机上使用调节电阻实现柔性失速控制的方法，并通过实验证实了该方法可提高系统功率输出，增加提水量。Bourlis[24]和Bystryk[25]分析了变速运行风力机的失速控制原理及控制方案。Ahmed[26]将柔性失速应用于一台垂直轴小型风力机，并设计了控制器，台架实验结果显示控制器可以工作在柔性失速模式。

柔性失速主要存在以下两个缺陷，从而影响了它的广泛应用。(1)控制不稳定，在阵风情况下控制可能失效。(2)柔性失速控制策略的实现有一定难度。如果控制响应速度太慢，风力机可能会超速运行，甚至起不到限制转速的作用；如果响应速度太快，发电机线圈内会产生较大的电流，影响电气设备使用寿命；另外，发电机电流快速增大的结果是风轮转速的快速下降，从而引起较大的机械载荷。

三 小型风力机结构动力学模型

1 风轮侧偏机构的结构动力学模型

小型风力机的结构动力学模型多是针对具有风轮侧偏机构的风力机建立的。Muljiadi[27]给出了风轮侧偏力矩和尾舵回位力矩的简化计算公式，以及风力机关于塔架中心轴的运动方程，对采用风轮侧偏和柔性失速两种方式综合控制的风力机进行了模拟分析。Bialasiewicz[28]给出了风轮、发电机、整流器、控制器(最大功率跟踪)和带阻尼的风轮侧偏机构的简化数学模型，并编写了仿真程序，模拟结果表明增加折尾阻尼会降低折尾速度，延长折尾时间，从而减小折尾过程增加的风力机载荷，但是会降低风能利用系数。以上研究对风轮侧偏机构的运动方程简化的主要内容为:

(1)计算风轮侧偏力矩时只考虑风轮推力的影响，风轮推力系数简化为只随尖速比变化的函数。

(2)假设风轮侧偏角与尾舵偏转角相等。

(3)假设尾翼气动中心到尾销的距离与尾翼气动中心到塔架中心轴的距离相等。

(4)尾舵回位力矩简化为尾舵偏转角的一次函数。

以上简化使仿真模型无法用于分析各项设计参数对侧偏性能的影响。Bikdash[10]和Audierne等[29]建立了广义坐标下的风轮侧偏机构的拉格朗日运动方程，在计算风轮侧偏力矩时采用了以BEM为基础的风轮叶片空气动力学模型，不同的是Audierne等建立模型是没有考虑风轮上仰角，而Bikdash没有考虑风轮尾流对作用在尾翼上的风速的影响。Audierne等[29]采用其建立的风轮侧偏机构模型详细分析了风轮侧偏特性及其影响因素，并且给出了处于风轮尾流区域中尾翼上风速的计算方法。

2004年，FAST风力机模拟仿真平台[30]中加入了风轮侧偏的计算模型，其中包括目前小风机常用的风轮偏转机构的数学模型。FAST是目前考虑因素最为全面、源代码对公众开放的小型风力机结构动力学仿真软件，并且是通过专业认证[31]的可用于小型风力机设计计算的仿真软件。

2 被动变桨距风轮的结构动力学模型

目前，关于被动变桨距风轮结构动力学的研究成果较少。Hertel等[1]建立了偏心式被动变桨距(向顺桨方向)风轮的结构动力学模型，并对变桨距风轮在稳态和湍流风况下的动态特性进行了仿真计算，计算结果表明变桨阻尼有助于增加变桨机构的稳定性，叶片变桨后风轮推力减小，但是没有相关的实验验证。

四 尾舵对风的数学模型

1 尾翼空气动力学模型

风力机空气动力学模型包括风轮、机舱、塔架及尾流模型，用于大型风力机的模型基本也适用于小型风力机，如叶素动量理论、叶尖轮毂修正。但与大型风力机不同的是，小型风力机采用尾舵对风，尾翼空气动力学是专属于小风电的一个研究方向。

小型风力机利用作用在尾翼上的风压力实现风轮对风，而尾流风速是影响尾翼风压力的关键因素。动量叶素理论[20]给出的风轮正对风时尾流风速为:

其中，V为来流风速；α为轴向诱导因子。当风轮运行在最佳尖速比状态时，α为0.33，UW为0.67V。Ackerman[32]给出风轮在对风偏差角为θ时尾流风速的表达式:

其中，ε为气流膨胀角；Ψ为风轮叶片方位角。当考虑轮毂对尾流的影响时，Magnusson[33]指出风轮后的气流损失呈现“双峰分布”的形式，由于轮毂的阻挡，“双峰”的峰谷出现在轮毂后方约1/4风轮直径的位置。但是，在风轮后方约一倍的风轮直径的位置，风速损失呈“抛物体”分布，风速损失的最大值出现在风轮中心位置。该“抛物体”与风向垂直的截面形状为椭圆。Audierne等[29]对Magnusson给出的“抛物体”分布的尾流损失模型进行了进一步分析，给出了“抛物体”几何形状的计算公式和作用在尾翼上的水平风速的表达式。

风轮推力系数的大小是影响尾流风速的一个重要因素。Magnusson[33]的实验结果表明风轮推力系数越大，尾流损失越大，尾流风速越小。当风轮重载运行时，风轮推力系数较大，动量理论不再适用，需要对α进行修正，使用较多的是Glauert经验修正公式[20]。

Larwood[34]测试了直径为10m的风轮在正对风和侧偏状态下的尾流切向速度和轴向速度，为小型风力机尾流模型的修正提供了依据；另外，测试结果也表明尾流速度的不稳定程度很大程度上取决于风轮叶尖速比，受风轮对风状态影响较小。

2 尾舵对风运动方程

小型风力机多采用尾舵对风，这种被动对风方式最大的缺点是对风速度较难确定。Ebert[35]采用位势理论建立了Delta(尾翼的运动方程，通过建立数学模型和风洞实验分析了尾翼面积和形状、尾杆长度对尾舵阻尼、固有频率的影响。

最简单的尾翼模型为Kristensen[36]给出的“伪静态(pseudo-static)”假设模型，该模型假设在一定的攻角范围内，作用在尾翼上的升力和阻力是静态的。Ebert的风洞实验结果[35]表明了“伪静态”假设理论的局限性。Ebert将尾舵(不包括风轮和机体)以一定的侧偏角放置于风洞之中，保持风速不变，然后放开尾舵使其可自由旋转，“伪静态”认为此时尾翼会做简谐运动，但实验中尾翼受到很大的阻尼作用。

Katz[37]和Leishman[38]在“伪静态”假设模型的基础上建立了“非稳态细长体(USB)”模型。该模型同样假设作用在尾翼上的升力是稳态的，阻力忽略不计，但增加了阻尼作用，即由和尾翼一起运动的空气引起的“附加质量”。Bechly等[39]采用USB理论推导了尾翼气动力矩的计算方法，并建立了尾舵对风运动方程，同时证明了风轮椎角有助于增加风轮对风稳定性。Wright A K[17]测试了各种形状尾翼的升力、阻力系数，建立了尾舵对风动力学模型，并将计算结果与实测结果作比较，表明风力机空转状态下仿真结果与实测结果的一致性要高于风力机发电状态下的一致性。

五 结论

本文综述了小型风力机的大风限速方法及其仿真模型的发展与研究现状，同时介绍了尾舵对风的空气动力学和结构动力学模型的研究进展。

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