鄧 棟，黃秋蘭

（湘電風(fēng)能有限公司，湖南湘潭411102）

1 引言

隨著國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，風(fēng)資源開發(fā)的重心已逐步從三北、沿海等風(fēng)資源富裕的區(qū)域向內(nèi)陸風(fēng)資源貧瘠的區(qū)域轉(zhuǎn)移。而三北、沿海區(qū)域和內(nèi)陸對(duì)比，其風(fēng)能遠(yuǎn)大于內(nèi)陸，湍流卻遠(yuǎn)小于內(nèi)陸，這就造成內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)資源開發(fā)難度巨大。

為了應(yīng)對(duì)內(nèi)陸地區(qū)風(fēng)速過低的工況，捕捉更多風(fēng)能，風(fēng)電機(jī)組的葉片不斷加長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不斷增大，載荷不斷上升。再加上內(nèi)陸地區(qū)高湍流的風(fēng)況，因此風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)，需要留有足夠的安全裕度。

風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)角度是機(jī)組在待風(fēng)階段設(shè)置的葉片角度參數(shù)，此參數(shù)如果設(shè)置過大，會(huì)造成到達(dá)切入風(fēng)速而無法啟機(jī)的問題；如果設(shè)置過小，當(dāng)出現(xiàn)陣風(fēng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組未及時(shí)并網(wǎng)的情況下而超速，甚至飛車。內(nèi)陸區(qū)域風(fēng)電機(jī)組，由于上述原因，啟機(jī)角度一般設(shè)置比較大，保證機(jī)組安全，這就導(dǎo)致經(jīng)常出現(xiàn)小風(fēng)不能啟機(jī)或者大風(fēng)啟機(jī)慢的現(xiàn)象，影響發(fā)電量。本文針對(duì)不同工況下、不同啟機(jī)角度對(duì)比分析，研究?jī)?nèi)陸區(qū)域直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)角度對(duì)機(jī)組的影響。

2 直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)過程分析

直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的啟機(jī)過程見圖1。

圖1 風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)過程

2.1 風(fēng)電機(jī)組自檢完成，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待指令；

2.2 獲得啟機(jī)指令后，葉片開始順槳，葉片角度從待機(jī)角度往啟機(jī)角度變化；

2.3 葉片角度到達(dá)啟機(jī)角度，進(jìn)入待風(fēng)狀態(tài)；

2.4 捕捉風(fēng)能，等待機(jī)組輪轂轉(zhuǎn)速上升到合閘轉(zhuǎn)速；

2.5 輪轂轉(zhuǎn)速到達(dá)合閘轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)啟動(dòng)變槳，輪轂轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，到達(dá)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速后，開始發(fā)電。

從上述直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組啟機(jī)過程可以看出，如果啟機(jī)角度設(shè)置過小，當(dāng)啟機(jī)過程中，突然出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)，有可能出現(xiàn)機(jī)組未完成合閘，而輪轂轉(zhuǎn)速已經(jīng)較高，這就相當(dāng)于機(jī)組空載運(yùn)行，極容易出現(xiàn)超速或者飛車現(xiàn)象。但如果啟機(jī)角度設(shè)置過大，在小風(fēng)狀態(tài)下，機(jī)組無法捕捉到足夠風(fēng)能，讓輪轂轉(zhuǎn)速上升到合閘轉(zhuǎn)速，機(jī)組不能正常啟機(jī)發(fā)電。所以，合適的啟機(jī)角度參數(shù)設(shè)置，是影響機(jī)組安全和發(fā)電量的重要因素。

3 載荷對(duì)比仿真分析

降低啟機(jī)角度的作用是低啟動(dòng)槳距角時(shí)葉輪葉片的迎風(fēng)面積增大，從而增加了葉輪氣動(dòng)扭矩的輸入，使葉輪轉(zhuǎn)速加快，達(dá)到縮短風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。在風(fēng)速比較低的情況下，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)一般會(huì)花比較長(zhǎng)的時(shí)間，也就表現(xiàn)為啟動(dòng)難的情況。因此降低啟機(jī)角度的策略只對(duì)低風(fēng)速有效，只對(duì)低風(fēng)速的載荷產(chǎn)生影響，把啟機(jī)角度調(diào)低是為了讓葉輪更快達(dá)到啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，不需要長(zhǎng)時(shí)間等待，達(dá)到快速啟動(dòng)動(dòng)作；對(duì)高風(fēng)速的情況，葉輪能夠輕松達(dá)到合閘轉(zhuǎn)速，快速達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，順利完成啟動(dòng)動(dòng)作。

在本文的仿真分析中，對(duì)比了某機(jī)型的啟動(dòng)風(fēng)速（3m/s）和額定風(fēng)速（9.6m/s）下風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)過程，并對(duì)風(fēng)電機(jī)組的主控載荷做了對(duì)比。

3.1 工況選取

仿真模擬啟動(dòng)過程中遇陣風(fēng)工況，在啟機(jī)過程中遇陣風(fēng)會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)造成大的沖擊載荷，風(fēng)速模型見圖2。

圖2 風(fēng)速模型

3.2 啟動(dòng)風(fēng)速下不同啟動(dòng)角度仿真分析

啟動(dòng)風(fēng)速（3m/s）的陣風(fēng)下啟動(dòng)角度為21度和15度時(shí)風(fēng)電機(jī)組輪轂轉(zhuǎn)速、槳距角、塔筒主控彎矩，輪轂主控彎矩，葉根主控彎矩的對(duì)比如圖3、圖4、圖5、圖6。

圖3 啟動(dòng)風(fēng)速下輪轂轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖4 啟動(dòng)風(fēng)速下槳距角對(duì)比

圖5 啟動(dòng)風(fēng)速下塔筒主控彎矩對(duì)比

圖6 啟動(dòng)風(fēng)速下輪轂主控彎矩對(duì)比

圖7 啟動(dòng)風(fēng)速下葉根主控彎矩對(duì)比

3.3 額定風(fēng)速下不同啟動(dòng)角度仿真分析

額定風(fēng)速（9.6m/s）的陣風(fēng)下啟動(dòng)角度為21度和15度時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，槳距角、塔筒主控彎矩、輪轂主控彎矩、葉根主控彎矩的對(duì)比如圖8、圖9、圖10、圖11、圖12。

圖8 額定風(fēng)速下輪轂轉(zhuǎn)速對(duì)比

圖9 額定風(fēng)速下槳距角對(duì)比

圖10 額定風(fēng)速下塔筒主控彎矩對(duì)比

圖11 額定風(fēng)速下輪轂主控彎矩對(duì)比

圖12 額定風(fēng)速下葉根主控彎矩對(duì)比

4 結(jié)論

從上述仿真結(jié)果可以看出，在低風(fēng)速下降低啟動(dòng)角度，風(fēng)電機(jī)組載荷存在一定的差異，但載荷水平較低，對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷水平不會(huì)產(chǎn)生影響；在額定風(fēng)速下兩種啟動(dòng)角度的載荷相差很小，載荷的平均水平與極限水平都差別不大，對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷水平并不存在很大影響。因此，對(duì)于內(nèi)陸區(qū)域的低風(fēng)速區(qū)或者超低風(fēng)速區(qū)，適當(dāng)降低啟動(dòng)角度，可減少啟機(jī)時(shí)間，增加發(fā)電量而并不會(huì)造成風(fēng)險(xiǎn)。