风电机组最小变桨角度的应用

文 | 王云涛，刘明超，胡明清

风电机组最小变桨角度的应用

文 | 王云涛，刘明超，胡明清

在全球资源日益稀缺的能量危机下，人们对可再生能源和清洁能源越来越重视，并且加以利用，风电机组应运而生。随着技术水平和行业发展，机组的单机容量越来越大，而随着单机容量的增大，对于机组各项性能要求也越来越高，可靠性越来越高，购买者希望机组能够最大限度地吸收风能，将其转化为电能，创造经济效益。

本文通过研究分析叶片特性，根据叶片在不同转速、不同变桨角度的情况下，风能利用系数不同的特性，在系统控制上找到一种控制变桨角度的方式，使机组在不同运行工况下能够获取最大的风能利用系数。下面介绍风电机组中最小变桨角度设定的方法，来确保机组在不同风速下获取最大风能利用系数。

风电机组运行区域

根据不同风速，风电机组运行控制大致可分为图1所示的4个运行区域，即启动区、最大风能追踪区、恒转速区、和恒功率区。

启动区（S0-S1）：

风速小于切入风速，发电机与电网脱网，机组不发电。

最大风能追踪区（S1-S4）：

机组并网发电后，机组输出功率与电机转速有关，控制系统调节机组运行在最优Cp曲线上，实现最大风能的追踪。

恒转速区（S4）：

发电机转速到达设定值，但机组输出功率未达到额定功率，为了保护机组不受损坏，不再进行最大风能追踪控制，而是通过桨距控制将转速限制在相应设定值上。

恒功率区（S5-S6）：

随着风速的增大，机组输出的机械功率不断增加，此时发电机和功率变换器将达到其功率极限，必须通过变桨距控制对机组功率加以限制，使风电机组处于恒转速恒功率运行状态。

综上，在额定风速以下时，机组的运行不受功率限制，机组控制系统的任务是：通过对转速的调节来跟踪最佳Cp曲线以获得最大风能转化率；高风速时，最优Cp值对应的机械功率将超过机组额定功率，必须通过变桨控制来限制机组输出功率。

最大风能追踪机理

一、风能特性

风电机组输出机械功率与风速有如下关系：

式中：ρ为空气密度，单位为kg/m3；

ν为上风向风速，单位为m/s；

Cp为风能利用系数；

A为机组桨叶扫掠面积，单位为m2；

A＝πR2，R为风轮半径。

风能利用系数Cp是关于叶尖速比λ和桨距角β的非线性函数，即：Cp（ λ ，β），当桨距角和叶尖速比发生改变，Cp值随之变化。图2为某机型的Cp(λ ， β)曲线图。

二、最佳风能利用系数

从图2可以看出，在固定叶尖速比的情况下，桨距角决定风能利用系数的大小。对于特定风电机组，在唯一的最佳叶尖速比λopt下，通过调节桨距角，使得Cp达到最大值Cpmax。当叶尖速比偏离最佳叶尖速比λopt或者桨距角改变，就会使风能利用系数Cp减小，降低风能利用及转换效率。根据贝茨理论，风能利用系数的极限值约为0.593。

为了不用风速控制风电机组，可以修改功率表达式，以消除对风速的依赖关系，按已知的Cpmax和λopt计算Popt。根据λ＝ωR/ν，其中ω为叶轮角速度，R为叶片半径，ν为风速；如果用转速替代风速，则可以导出功率是转速的函数，三次方关系仍然成立，即最佳功率Popt与转速的三次方成正比：

假设机组在某个转速下运行，叶尖速比为恒定，我们通过Bladed 软件仿真得出的数据可以绘制出Cp—角度曲线，如图3；最优Cp对应的变桨角度并非是传统使用的0°，该叶片在叶尖速比为8.62时，最优Cp对应的变桨角度为-1°并非是传统使用的0°。

仿真效果

表1 λ-变桨与变桨角度对应表

表2 风速与转速对应表

就Bladed仿真来说，若风电机组为双馈机型，选择某机型某叶片，使用Bladed 软件进行叶片数据仿真，可以得到CP-λ数值表，表1为某叶片仿真数据表。

从表1叶片仿真数据表中可以看出，Cpmax＝ 0.4880，对应的变桨角度是0°，叶尖速比为9.92；若设定该数值为最佳叶尖速比，风速与最优转速关系的情况下，会得到最佳的功率输出；表2为该机型风速与转速对应表。

该双馈机型风电机组发电机转速范围设定1100rpm－1830 rpm 为并网发电区间，在3m/s－5 m/s风速时偏离最佳的发电叶尖速比；此时若3m/s的风速对应的发电机转速为1100rpm时，叶尖速比为：λ＝16.19，此时的Cp＝0.3267.

若此时最小变桨角度设置为最优角度2°，Cp值为Cp＝0.35，提高7%的发电量。 因此，在机组运行过程中动态改变最小变桨角度是非常有意义的。

若风电场的风速分布在3m/s－6m/s之间，首先要考虑变速箱的变速比，另外要考虑风电机组的最小变桨角度，对提高发电量是有帮助的。所以，在机组中应当重视最小变桨角度的设定。

我们可以通过查表法或者采用自动寻优的控制算法实现不同风速下最小变桨的角度的设定，如图4为某机型的最佳变桨曲线。

结语

在国内随着运行的风电机组数目的不断增多，单机容量不断增大，而一类、二类风能资源越来越少，提高运行机组单机发电效率越来越重要，各整机生产厂商都意识到提高发电效率的重要性，这就需要我们更加深入研究和优化机组控制细节，而其中动态改变最小变桨角度对提高机组的发电效率至关重要，从而对机组的年发电量的提高是非常有帮助的。

（作者单位：青岛华创风能有限公司）