浅谈风电机组偏航状态载荷控制范文

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《军民两用技术与产品》2017年第9期

摘要：随着低风速风场的不断开发，低风速型风电机组面临叶轮尺寸不断增加和风况更加多变的情况。叶轮尺寸的不断增大带来了叶片柔性的增加，需要更加准确的仿真模型。而风况的多变导致机组长期处于偏航状态，进而导致叶片载荷波动的加剧，对机组寿命产生较大的影响。该文基于非线性耦合模型，提出了一种独立变桨载荷控制方法。非线性耦合模型采用了几何精确梁和自由涡尾迹方法，更适用于大尺寸叶轮的流固耦合效应的仿真。结果显示，提出的独立变桨控制方法不需要复杂的控制系统和额外的传感系统，即可以获得较好的降载效果。

关键词：风力发电；非线性流固耦合模型；几何精确梁；自由涡尾迹；偏航状态；载荷控制

0引言

风能是目前最成熟最具有开发价值的可再生能源之一。在中国，由于风资源丰富地区一般远离经济中心，对低风速风场的开发逐渐成为重点。低风速风场具有风速低和风向多变的特点。这两个特点体现在低风速型风电机组设计上就是叶轮直径的不断增大以及叶片载荷波动的更加剧烈。由于平均风速的降低，为了进一步提高风能捕获能力，提高塔架高度和增加叶轮直径是最直接有效的手段。叶轮直径的不断增加推动了轻量化技术在叶片设计上的不断应用。如果采用同比例放大叶片设计，重量和成本将呈立方增长，这显然是不可行的，在材料和设计方面没有实现突破前，很难大幅提升刚度重量比。因此，采用轻量化设计会导致叶片表现得更加的柔性。叶片变得更加柔性会导致叶片更容易出现几何大变形情况、流场非定常现象以及两者之间复杂的耦合现象[1,2]。但目前风电机组设计行业采用的主流设计方法中，在结构域仍然采用叶片小变形假设建立模型，在流体域采用定常/准定常假设，已经无法满足大型风电机组流固耦合分析的需求，所以建立能够满足非线性结构和非定常气动耦合的模型是目前研究的热点。文献[3]中建立了基于几何精确梁和自由涡尾迹方法的流固耦合模型，该模型较广泛使用的线性梁模型和动量叶素理论具有更准确的物理假设，更适用于大型风电机组流固耦合特性分析。低风速风场一般处于风况比较复杂的地区。在这些地区，风速和风向都不会保持长时间稳定。尤其在一些山岭地带，受地形影响，方向会频繁变化。

1非线性流固耦合模型

考虑到低风速型风机大叶轮直径的特点，该文使用基于几何精确梁和自由涡尾迹理论的流固耦合模型。

1.1几何精确梁理论

几何精确梁[12,13]基于Reissner梁理论，其由铁木辛柯梁发展而来，同样采用了平截面假设，但是并没有采用小转角近似。通过三维有限转动理论，可以精确描述大变形条件下的截面运动。

1.2自由涡尾迹模型

自由涡尾迹模型[14]允许尾迹涡元自由变形和运动，可较为准确的模拟尾迹的变形、卷起和运动，较好的解决流场改变带来的非定常效应。

1.3模型验证选取NRELUAE实验中，风电机组处于偏航状态的气动力测试数据作为对比数据，用于验证该文气动模型对偏航状态仿真的准确性。选取的偏航状态为10m/s下的30°偏航状态，选取30%、63%和95%三个位置截面的法向力系数Cn进行对比。

2偏航错误和偏航过程中耦合响应

偏航状态是指来流风速方向与风电机组叶轮的旋转轴不平行，存在一定的夹角。来流方向与叶轮转轴的夹角被称为偏航角。偏航角的形成原因一种是偏航系统发生错误，另一种是风向改变[15]。当存在偏航角时，风电机组的发电效率会大幅下降，因此需要转动风电机组机舱，重新对准来流风向。在实际中，风向是始终会发生改变的，因此在风电机组运行中很难避免偏航误差以及偏航过程的存在[16]。该部分采用DTU10MW风电机组模型进行仿真分析。该模型叶轮直径达到178.3米，额定功率为10MW，额定风速为11.4m/s。该机型不是低风速机型，但是同样具有大尺寸叶轮。

2.1偏航错误时风电机组耦合响应特性

风电机组大部分运行时间都是存在一定的偏航误差的。当偏航误差的角度较小时，对风电机组的发电功率影响不大，并不需要对风。

2.2偏航过程中的风电机组耦合响应特性

实际风电机组运行中会经常处于偏航状态，但是偏航控制系统并不会立刻启动，而是当偏航角大于风电机组控制所允许的最大偏航角度或是处于偏航误差一段时间后，风电机组才会在偏航控制系统的作用下进行对风控制。常见设置是来流偏航角为8°-10°，维持时间为60s，偏航系统开始运作对风。

3偏航载荷控制方法

3.1控制方法

对于风电机组叶片和轮毂结构，长期处于偏航状态会使其承受较大的交变载荷，对疲劳寿命的要求更高。如果能够在一定程度上降低偏航带来的叶片和轮毂的交变载荷，可以提高两者使用寿命，降低维护成本。叶片带来的偏航和俯仰力矩波动是叶片旋转的必然产物，很难通过控制手段大幅降低。因为叶片为升力驱动，叶片在平面内承受的驱动力要远小于在叶轮平面外的推力，因此，在偏航状态下降载的主要目标是降低叶片承受的推力波动和叶片变形。因为叶片各个截面的推力变化并不一致，故可采用叶根轴向推力作为控制目标。本节建立的载荷控制方法基本假设是，在存在偏航误差角的情况下，叶片的载荷受到流场和结构的动态影响较小，即认为，叶轮受到的载荷主要与偏航误差角和叶片方位角相关，而每个风况和偏航误差角下的叶片载荷是可以通过仿真计算和测试得到。文献[17]针对两叶片风机，采用自由涡尾迹方法，通过独立变桨降低了风切变导致的载荷波动，该方法也基于同样的假设。改变恒定风速和偏航误差下的变桨角，可以增大或是减小叶片载荷。图10为当偏航误差为8°时，改变叶片变桨角对叶根轴向推力的影响。仿真风况均考虑了指数为0.2的风切变。从图10可以看出，在每个变桨角度下，叶片的载荷变化比较接近简单余弦函数，并且在每个方位角下，叶片载荷与变桨角存在单调变化关系。这说明两点：首先，偏航误差下叶片的载荷变化可以由简单函数表示；其次，相同方位角下，不同变桨角度对应的叶片载荷可以通过对有限个变桨角对应的载荷插值估算，反之也可以估算某一载荷应对应的变桨角度。

3.2偏航错误时载荷控制方法的应用

选择额定风速和额定转速下的工况作为仿真条件，选择偏航误差为8°。图10已经比较了8°偏航误差下不同变桨角对风电机组叶片载荷的影响。以0°变桨角度下的叶片根部平均轴向力为目标，对不同方位角下，不同载荷对应的方位角进行插值，可以得到理想状态下的变桨规律。

3.3偏航过程中载荷控制方法的应用

将该载荷控制方法应用于偏航过程中，仍然采用额定风速和额定转速作为仿真工况，来流风速为剪切风，系数为0.2。一般偏航控制采用8°偏航误差。DTU10MWRWT的最大偏航速度为0.3°/s，故整个偏航过程持续时间为26.7s。

4结论

本文研究了使用非线性流固耦合模型研究风电机组在偏航状态下的叶片载荷波动。非线性流固耦合模型考虑了叶片的结构几何非线性变形和流场的非定常。建立了一种独立变浆策略。该策略为通过对不同变桨角和不同方位角下的载荷结果进行插值，得到了能够使用简单三角函数描述的叶片变桨规律，避免了使用复杂的控制算法和额外的传感设备。仿真计算结果表明，该方法可以大幅降低叶片在偏航误差和偏航过程中的载荷波动。

作者：廖明夫1；吕品1；康刘宏1；王巧艳1 单位：1.西北工业大学