变桨距控制风力机攻角的选择

变桨距控制风力机攻角的选择

0变桨距控制理论可变距离控制技术具有优化风装置的输出，满足并网指南，减少失速负荷小等优点。它是波形级风装置控制技术的中心技术，是国内外科学家的研究热点。近年来也出现了很多种变速恒频风力发电机组桨距角控制方法,均获得了较好的控制效果,但是控制算法比较复杂。由于风能具有随机性强及稳定性差的特点,使得变桨距控制系统具有强非线性、参数时变性及强耦合性,因此一般使用简化的模型来研究变桨距动态过程,但是简化的变桨距系统模型无法详尽地描述兆瓦级风力发电机组变桨距过程中桨距角滞后等的动态特性。本文中的变桨距控制器采用并网前转速闭环控制,将实际的攻角与期望攻角进行比较,以产生最佳桨距角,在风力机的起动过程中控制风轮以一定的速率平稳升速,并结合液压刹车系统,使得风力机组能够在各种情况下安全高效地运行。1风速低时,叶尖速比为根据贝兹理论,风力机的输出功率:式中:ρ为空气密度;Cp(λ,β)为风能利用系数;V为风速;R为叶片半径。Cp(λ,β)的经验公式为式中:Vro为叶轮叶尖速度;β为桨距角;λ为叶尖速比;λ1为关于叶尖速比λ及桨距角β的函数。输出转矩为由式(2),(3),(4)可以得到风能利用系数的曲线图(图1)。由图1可知,桨距角越小,风能利用系数越大。在同一条风能利用系数曲线上,除了最大风能利用系数外,同一个风能利用系数分别对应了低风速和高风速下的叶尖速比,说明即使风电机组处于不同的运行方式,风力机仍有相同的风能利用系数。对于给定的叶片桨距角,不同的叶尖速比对应的风能利用系数相差较大,且只有一个固定的最佳叶尖速比使风能利用系数达到最大值。由上述分析可知,当风速较低时,可以调小桨距角β,使风能利用系数达到最大值,从而使风力机获得最大的输出功率;当风速较高时,可以增大桨距角β,减小风能利用系数,从而限制风力机的输出功率,使之保持恒定的输出功率,避免出现“飞车”现象。2变桨距控制器设计根据叶素特性理论,风力机运转后气流速度及叶片受力情况如图2所示。合成风速Vre是叶片旋转速度Vro与实际风速V的向量和。Vro与Vre的夹角θ为流入角;翼弦与Vre的夹角为攻角α,翼弦与风轮旋转平面的夹角为桨距角β。式中:ω为风力机风轮转子速度;T为风轮转矩。运行中的风力机叶片受到沿翼弦方向上的阻力FD与垂直于叶片向上的升力FL作用,它们的大小分别为式中:CD为阻力系数;CL为升力系数。攻角的大小对叶轮的气动性能有一定的影响,只有当攻角为某一适宜值时,即叶片升阻比系数CL/CD最大时,风力机转速才能达到最大。对于一个负载确定的风力机,当风速和风向改变时,将引起桨距角发生改变,从而改变攻角的大小,进而影响到风力机的气动特性。因此,变桨距控制必须结合攻角的改变情况,才能达到最优控制。变速风力发电机组有3种工作状态:正常运行、停机、刹车。当风速V小于切入风速Vci时,变桨刹车;当风速V大于切入风速Vci且小于切出风速Vco时,风机处于运行状态;当风速V大于切出风速Vco时,风机停机信号动作,风机处于停机状态。因此,变桨距控制器应根据不同条件作出不同的变桨动作。设刹车信号为Brake,停机信号为Park,则定义桨距为当桨距角改变时,桨距H也会随之改变,从而改变了风力机的转速ω,这就是风力机变桨距调节的原理。3可变距离控制器的建模和模拟3.1风力机变桨距控制由于桨距角的改变将会导致攻角的改变,从而影响叶片的升阻比系数,最终影响风力机的气动性能,因此,桨距角的改变必须保证风机处于最佳的攻角位置。但是,由于攻角与风力机的阻力系数、升力系数为非线性关系,故本文采用PI算法来求取最佳攻角。在风机变桨距控制过程中,当风电机组运行于额定功率以上时,为了使发电机输出功率很好地稳定在额定值,必须使桨距角的变化率与风速的变化相协调。过高的桨距角变化率会加大风机叶片、塔架等机械机构的振动,过慢又会吸收过多能量,有可能导致发电机损坏,因此,在变桨距控制系统中还应对桨距角的变化率进行限制。变桨距控制系统结构如图3所示。3.2攻角控制器仿真模型通过额定转速Vref与叶片实测转速Vro的差值反馈,由PI算法计算所需攻角,并限制其取值范围,得出最佳值,根据式(6),(7)得到攻角控制器仿真模型(图4)。3.3风机转速随转速的变化特性设额定转速Vref为14.3rad/s,切入风速Vci为4m/s,切出风速Vco为20m/s,风机半径R为40m,空气密度ρ为1.61kg/m3,分别给出低风速和高风速两种情况下,对应的桨距角及攻角的变化情况(图5,6)。从图5可以看出,在0~10s,风速小于风机切入风速,为了跟踪最大功率,将桨距角固定在0°附近,此时对应攻角为10°左右,在这段时间内风力机变桨刹车,风机转速为0;在10~30s,风速逐渐增大,大于切入风速时,变桨距控制器开始工作,随着风速的大小调整最佳的桨距角,对应的风机转速也开始上升;在30~60s,变桨距系统不断调整,使风机转速达到了额定转速14.3rad/s,风力机开始恒速运转;在60~80s,风速逐渐下降,此时,为了获得最大功率,桨距角逐渐变大,使得风机仍能以恒定转速运转;在70s以后,风速低于风机最小切入风速,变桨刹车系统工作,使风力机停止运转,桨距角迅速调整为0°,便于风速上升时风机能够快速进入最佳运行状态。从图6可以看出,在0~55s,风速处于风机的运行风速范围内,此时风机工作状态同低风速下风机工作状态相似;在55s左右时,风速已达到了风机的切出风速,此时风速过高,若不及时停机,就会影响风机的寿命甚至发生“飞车”,因此,变桨距控制系统发出停机信号,风机停止运行。4变桨距控制系统仿真结果通过对风力机的气动特性、变桨距调节原理的分析,基于对攻角的预测建立了变速风力机组