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风力发电机组气动载荷控制方法研究

摘要：随着风电机组单机容量的持续提高，带来新的技术难题，风力发电机风轮直径的增大导致其承受不平衡气动载荷急剧增大，对风电机组安全运行造成一定的威胁，因此，研究风力发电机气动载荷控制方法具有重要的意义。本文提出了一种同步变桨与独立变桨技术相结合的气动载荷联合控制方法，经试验研究，该方法能够有效降低风机轴向气动载荷，且能够确保风机的发电功率稳定在额定功率附近，以期为同类研究提供参考。
关键词：风力发电；气动载荷；控制方法；影响因素
随着风力发电机单机容量的不断提高，机组配套的桨叶尺寸越来越大，导致风叶承受的风不平衡气动载荷急剧增大，造成机组零部件故障发生几率显著上升，对机组的安全可靠运行带来了一定的隐患，因此，对风力发电机组进行气动载荷的控制方法的研究是风力发电亟待解决的重要课题。随着气动载荷的理论与实践研究，出于成本控制与可靠运行的考虑，越来越多的研究人员开始关注风电机组的气动效率，从优化叶片外形、降低载荷和增加叶片生命周期等方面进行研究，其中，叶片气动控制依赖于对流经叶片表面气流的控制，是风力发电机组设计的关键因素，将直接影响风电机组的经济效益与运行稳定性，因此，探讨风电发电机组气动控制技术具有重要的意义。
一、风电机组气动载荷控制技术概述
载荷控制技术是振动工程的一个重要分支，是通过科学合理的控制策略抑制载荷波动而引起的零部件振动，从而达到提高风电机组安全性与稳定性的目的。载荷控制分为主动控制与被动控制两种方式。被动控制是合理选择风电机组零部件材料与形状，并对机组特定部位进行减振处理，进而有效控制机组振动，结合科学的控制算法，对振动信号进行适当的处理后得到相应的振动输出信号，将振动输出信号施加到被控对象上，从而达到消除或抑制风电机组零件振动的目的。常见的被动气动载荷控制方法包括风向风电机组自由偏航技术、弯扭耦合及涡流发生器及叶片扰流器技术等，主动控制技术是指借助外力作用进行载荷控制的技术。传统的主动控制技术包括机组偏航、叶片变速变桨等，先进的主动控制技术包括改变叶片剖面行政与翼型表面吹/吸气控制技术等。与主动控制技术相比，被动控制技术不需要额外提供能源，且结构相对简单，但由于风能获取环境较为复杂，同时，被动控制技术对部件振动没有明显效果，因此具有一定的应用局限性，逐步被主动控制技术所取代，合理的主动控制策略能够有效改善部件振动情况，目前，风电机组气动载荷控制研究主要集中在载荷的主动控制方面。
在主动控制技术中，独立变桨控制技术发展迅速，与同步变桨技术相比，独立变桨技术在风电机组输出功率和降低风机载荷方面具有显著的优势，因此，本文以以减小风电机组轴向气动载荷为目标，提出了一种基于离散模糊控制的同步变桨距与桨叶方位角权系数分配的独立变桨方法相结合的气动载荷控制方法。
二、风电机组联合控制方法研究
独立变桨距技术是对不同的桨叶采取独立的控制技术，从而使桨叶在不同的位置对应不同的浆距角，实现对桨叶气动荷载不平衡性的有效抑制，并确保风电机组的输出功率的稳定性。
1、基于离散模糊的控制器设计
基于离散模糊的控制器设计是结合增加浆距角基准参考值规则表，以此使桨叶在不同的位置快速调整到相应的浆距角，设计思路如图1所示。
图1：控制器设计
为了实现对风电机组浆距角的实时控制，防止浆距角在小范围内频繁波动，可使用离散模糊控制器，控制器的子集为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，控制规则如下：
表1：离散模糊控制规则
其中，e为机组功率误差，其波动范围为300kWec代表微分，其范围为±400Kw/s，输出量为浆距变化值，波动范围为±30°。
2、独立变桨控制器设计
风机在运行过程中，风切效应导致风电机组受到不平衡气动载荷的影响，在同步变桨距的基础上，有必要引入基于桨叶方位角权系数分配的独立变桨方法（如图2所示），以桨叶方位角和风切效应对当前位置的风速进行预测，从而实现各桨叶浆距角的有效控制，以此达到减小桨叶气动载荷的目的。
图2；独立变桨距控制器设计
三、案例分析
本文以华锐SL—1500/82型风机为例，风轮直径为82m，叶轮直径为82.9m，切入风速为3m/s，切出风速为20m/s，额定风速为10.5m/s，转速范围为9.7-19rpm，额定转速为17.4，额定功率为1500kW。
以额定功率以下、以上分别进行仿真试验，前20s为10m/s附近波动，后20s风速在18m/s附近波动，得到风速仿真曲线如图3所示：
图3：同步变桨距与独立变桨距联合控制下的浆距角变化曲线
通过同步变桨距与独立变桨距联合控制，如图4所示，风电机组输出功率稳定在额定功率左右（1500kW）。
图4：联合控制方法下的风电机组输出功率
通过观察风电机组桨叶轴向气动载荷曲线，在联合控制方法应用后，后20s较前20s更为稳定，载荷波动较小，在稳定风电机组额定功率输出的同时，在风电机组切出风速临近段气动载荷控制方面具有显著的优势。
结语
通过对风电机组气动载荷控制技术进行分析和研究，不难发现气动载荷控制技术在稳定风电机组发电效率、提高机组可靠性等方面的重要作用。针对同步变桨技术应对气动载荷效果不佳的情况，本文提出了一种基于同步变桨与独立变桨技术相结合的气动载荷控制方法，经试验证明，该方面在稳定风机发电功率与减小气动载荷方面具有良好的应用效果，能够有效降低风电机组轴向气动载荷，确保风机运行可靠性，从而延长风机使用寿命，降低风电机组维护成本。受限于篇幅及气动载荷的复杂性，本文仅限于对风机轴向气动载荷的考虑，未涉及其他类型的载荷，以期对同类型研究有所帮助。
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