淺談風(fēng)電機(jī)組偏航狀態(tài)載荷控制范文
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《軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品》2017年第9期
摘要：隨著低風(fēng)速風(fēng)場的不斷開發(fā)，低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組面臨葉輪尺寸不斷增加和風(fēng)況更加多變的情況。葉輪尺寸的不斷增大帶來了葉片柔性的增加，需要更加準(zhǔn)確的仿真模型。而風(fēng)況的多變導(dǎo)致機(jī)組長期處于偏航狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致葉片載荷波動的加劇，對機(jī)組壽命產(chǎn)生較大的影響。該文基于非線性耦合模型，提出了一種獨(dú)立變槳載荷控制方法。非線性耦合模型采用了幾何精確梁和自由渦尾跡方法，更適用于大尺寸葉輪的流固耦合效應(yīng)的仿真。結(jié)果顯示，提出的獨(dú)立變槳控制方法不需要復(fù)雜的控制系統(tǒng)和額外的傳感系統(tǒng)，即可以獲得較好的降載效果。
關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；非線性流固耦合模型；幾何精確梁；自由渦尾跡；偏航狀態(tài)；載荷控制
0引言
風(fēng)能是目前最成熟最具有開發(fā)價(jià)值的可再生能源之一。在中國，由于風(fēng)資源豐富地區(qū)一般遠(yuǎn)離經(jīng)濟(jì)中心，對低風(fēng)速風(fēng)場的開發(fā)逐漸成為重點(diǎn)。低風(fēng)速風(fēng)場具有風(fēng)速低和風(fēng)向多變的特點(diǎn)。這兩個特點(diǎn)體現(xiàn)在低風(fēng)速型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)上就是葉輪直徑的不斷增大以及葉片載荷波動的更加劇烈。由于平均風(fēng)速的降低，為了進(jìn)一步提高風(fēng)能捕獲能力，提高塔架高度和增加葉輪直徑是最直接有效的手段。葉輪直徑的不斷增加推動了輕量化技術(shù)在葉片設(shè)計(jì)上的不斷應(yīng)用。如果采用同比例放大葉片設(shè)計(jì)，重量和成本將呈立方增長，這顯然是不可行的，在材料和設(shè)計(jì)方面沒有實(shí)現(xiàn)突破前，很難大幅提升剛度重量比。因此，采用輕量化設(shè)計(jì)會導(dǎo)致葉片表現(xiàn)得更加的柔性。葉片變得更加柔性會導(dǎo)致葉片更容易出現(xiàn)幾何大變形情況、流場非定常現(xiàn)象以及兩者之間復(fù)雜的耦合現(xiàn)象[1,2]。但目前風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)行業(yè)采用的主流設(shè)計(jì)方法中，在結(jié)構(gòu)域仍然采用葉片小變形假設(shè)建立模型，在流體域采用定常/準(zhǔn)定常假設(shè)，已經(jīng)無法滿足大型風(fēng)電機(jī)組流固耦合分析的需求，所以建立能夠滿足非線性結(jié)構(gòu)和非定常氣動耦合的模型是目前研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[3]中建立了基于幾何精確梁和自由渦尾跡方法的流固耦合模型，該模型較廣泛使用的線性梁模型和動量葉素理論具有更準(zhǔn)確的物理假設(shè)，更適用于大型風(fēng)電機(jī)組流固耦合特性分析。低風(fēng)速風(fēng)場一般處于風(fēng)況比較復(fù)雜的地區(qū)。在這些地區(qū)，風(fēng)速和風(fēng)向都不會保持長時間穩(wěn)定。尤其在一些山嶺地帶，受地形影響，方向會頻繁變化。
1非線性流固耦合模型
考慮到低風(fēng)速型風(fēng)機(jī)大葉輪直徑的特點(diǎn)，該文使用基于幾何精確梁和自由渦尾跡理論的流固耦合模型。
1.1幾何精確梁理論
幾何精確梁[12,13]基于Reissner梁理論，其由鐵木辛柯梁發(fā)展而來，同樣采用了平截面假設(shè)，但是并沒有采用小轉(zhuǎn)角近似。通過三維有限轉(zhuǎn)動理論，可以精確描述大變形條件下的截面運(yùn)動。
1.2自由渦尾跡模型
自由渦尾跡模型[14]允許尾跡渦元自由變形和運(yùn)動，可較為準(zhǔn)確的模擬尾跡的變形、卷起和運(yùn)動，較好的解決流場改變帶來的非定常效應(yīng)。
1.3模型驗(yàn)證選取NRELUAE實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)電機(jī)組處于偏航狀態(tài)的氣動力測試數(shù)據(jù)作為對比數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證該文氣動模型對偏航狀態(tài)仿真的準(zhǔn)確性。選取的偏航狀態(tài)為10m/s下的30°偏航狀態(tài)，選取30%、63%和95%三個位置截面的法向力系數(shù)Cn進(jìn)行對比。
2偏航錯誤和偏航過程中耦合響應(yīng)
偏航狀態(tài)是指來流風(fēng)速方向與風(fēng)電機(jī)組葉輪的旋轉(zhuǎn)軸不平行，存在一定的夾角。來流方向與葉輪轉(zhuǎn)軸的夾角被稱為偏航角。偏航角的形成原因一種是偏航系統(tǒng)發(fā)生錯誤，另一種是風(fēng)向改變[15]。當(dāng)存在偏航角時，風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率會大幅下降，因此需要轉(zhuǎn)動風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙，重新對準(zhǔn)來流風(fēng)向。在實(shí)際中，風(fēng)向是始終會發(fā)生改變的，因此在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中很難避免偏航誤差以及偏航過程的存在[16]。該部分采用DTU10MW風(fēng)電機(jī)組模型進(jìn)行仿真分析。該模型葉輪直徑達(dá)到178.3米，額定功率為10MW，額定風(fēng)速為11.4m/s。該機(jī)型不是低風(fēng)速機(jī)型，但是同樣具有大尺寸葉輪。
2.1偏航錯誤時風(fēng)電機(jī)組耦合響應(yīng)特性
風(fēng)電機(jī)組大部分運(yùn)行時間都是存在一定的偏航誤差的。當(dāng)偏航誤差的角度較小時，對風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率影響不大，并不需要對風(fēng)。
2.2偏航過程中的風(fēng)電機(jī)組耦合響應(yīng)特性
實(shí)際風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中會經(jīng)常處于偏航狀態(tài)，但是偏航控制系統(tǒng)并不會立刻啟動，而是當(dāng)偏航角大于風(fēng)電機(jī)組控制所允許的最大偏航角度或是處于偏航誤差一段時間后，風(fēng)電機(jī)組才會在偏航控制系統(tǒng)的作用下進(jìn)行對風(fēng)控制。常見設(shè)置是來流偏航角為8°-10°，維持時間為60s，偏航系統(tǒng)開始運(yùn)作對風(fēng)。
3偏航載荷控制方法
3.1控制方法
對于風(fēng)電機(jī)組葉片和輪轂結(jié)構(gòu)，長期處于偏航狀態(tài)會使其承受較大的交變載荷，對疲勞壽命的要求更高。如果能夠在一定程度上降低偏航帶來的葉片和輪轂的交變載荷，可以提高兩者使用壽命，降低維護(hù)成本。葉片帶來的偏航和俯仰力矩波動是葉片旋轉(zhuǎn)的必然產(chǎn)物，很難通過控制手段大幅降低。因?yàn)槿~片為升力驅(qū)動，葉片在平面內(nèi)承受的驅(qū)動力要遠(yuǎn)小于在葉輪平面外的推力，因此，在偏航狀態(tài)下降載的主要目標(biāo)是降低葉片承受的推力波動和葉片變形。因?yàn)槿~片各個截面的推力變化并不一致，故可采用葉根軸向推力作為控制目標(biāo)。本節(jié)建立的載荷控制方法基本假設(shè)是，在存在偏航誤差角的情況下，葉片的載荷受到流場和結(jié)構(gòu)的動態(tài)影響較小，即認(rèn)為，葉輪受到的載荷主要與偏航誤差角和葉片方位角相關(guān)，而每個風(fēng)況和偏航誤差角下的葉片載荷是可以通過仿真計(jì)算和測試得到。文獻(xiàn)[17]針對兩葉片風(fēng)機(jī)，采用自由渦尾跡方法，通過獨(dú)立變槳降低了風(fēng)切變導(dǎo)致的載荷波動，該方法也基于同樣的假設(shè)。改變恒定風(fēng)速和偏航誤差下的變槳角，可以增大或是減小葉片載荷。圖10為當(dāng)偏航誤差為8°時，改變?nèi)~片變槳角對葉根軸向推力的影響。仿真風(fēng)況均考慮了指數(shù)為0.2的風(fēng)切變。從圖10可以看出，在每個變槳角度下，葉片的載荷變化比較接近簡單余弦函數(shù)，并且在每個方位角下，葉片載荷與變槳角存在單調(diào)變化關(guān)系。這說明兩點(diǎn)：首先，偏航誤差下葉片的載荷變化可以由簡單函數(shù)表示；其次，相同方位角下，不同變槳角度對應(yīng)的葉片載荷可以通過對有限個變槳角對應(yīng)的載荷插值估算，反之也可以估算某一載荷應(yīng)對應(yīng)的變槳角度。
3.2偏航錯誤時載荷控制方法的應(yīng)用
選擇額定風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速下的工況作為仿真條件，選擇偏航誤差為8°。圖10已經(jīng)比較了8°偏航誤差下不同變槳角對風(fēng)電機(jī)組葉片載荷的影響。以0°變槳角度下的葉片根部平均軸向力為目標(biāo)，對不同方位角下，不同載荷對應(yīng)的方位角進(jìn)行插值，可以得到理想狀態(tài)下的變槳規(guī)律。
3.3偏航過程中載荷控制方法的應(yīng)用
將該載荷控制方法應(yīng)用于偏航過程中，仍然采用額定風(fēng)速和額定轉(zhuǎn)速作為仿真工況，來流風(fēng)速為剪切風(fēng)，系數(shù)為0.2。一般偏航控制采用8°偏航誤差。DTU10MWRWT的最大偏航速度為0.3°/s，故整個偏航過程持續(xù)時間為26.7s。
4結(jié)論
本文研究了使用非線性流固耦合模型研究風(fēng)電機(jī)組在偏航狀態(tài)下的葉片載荷波動。非線性流固耦合模型考慮了葉片的結(jié)構(gòu)幾何非線性變形和流場的非定常。建立了一種獨(dú)立變漿策略。該策略為通過對不同變槳角和不同方位角下的載荷結(jié)果進(jìn)行插值，得到了能夠使用簡單三角函數(shù)描述的葉片變槳規(guī)律，避免了使用復(fù)雜的控制算法和額外的傳感設(shè)備。仿真計(jì)算結(jié)果表明，該方法可以大幅降低葉片在偏航誤差和偏航過程中的載荷波動。
作者：廖明夫1；呂品1；康劉宏1；王巧艷1 單位：1.西北工業(yè)大學(xué)