內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 馮國英 劉志璋 包道日娜

廣州紅鷹能源科技有限公司 戴文平

一 引言

目前，大型風(fēng)力機多采用主動變槳距進行大風(fēng)限速，而小型風(fēng)力機的大風(fēng)限速方式卻不斷趨于多樣化。小型風(fēng)力機的大風(fēng)限速方式可分為空氣動力控制、電磁控制和機械剎車?？諝鈩恿刂瓢L(fēng)輪側(cè)偏或上仰、失速控制和變槳距控制[1,2]。電磁控制包括電磁剎車(發(fā)電機三相輸出短接)、泄荷器和漸進式電磁控制[3]。其中空氣動力控制和漸進式電磁控制可進行風(fēng)力機功率調(diào)節(jié)，電磁剎車、泄荷器、機械剎車啟動后風(fēng)力機會逐漸停止功率輸出。

采用不同空氣動力限速方式的風(fēng)力機在結(jié)構(gòu)上會有所不同，如采用風(fēng)輪側(cè)偏的風(fēng)力機其尾舵可繞尾梢轉(zhuǎn)動，采用變槳距控制的風(fēng)力機其葉片和輪轂需要特別設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)多樣性使小型風(fēng)力機仿真模型的建立變得更為復(fù)雜。小型風(fēng)力機不同于大型風(fēng)力機的另外一個特點是尾舵對風(fēng)，這一性能會直接影響風(fēng)力機功率和載荷[4]。本文主要介紹小型風(fēng)力機各種空氣動力限速機構(gòu)及其仿真模型的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，以及尾舵空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型的研究進展，為我國小風(fēng)電研究工作提供參考。

二 小型風(fēng)力機的大風(fēng)限速方式

目前，小型風(fēng)力機常見的大風(fēng)限速方式有風(fēng)輪側(cè)偏或上仰、被動變槳距和被動失速。按照歐盟小風(fēng)電發(fā)展策略項目組(SWIIS)[5]的研究結(jié)論，在年平均風(fēng)速Vmean小于5m/s、最大參考風(fēng)速Vref為20m/s的地區(qū)，小型風(fēng)力機可不需任何大風(fēng)限速措施；Vmean小于7m/s、Vref為30～35m/s的地區(qū)，可使用風(fēng)輪側(cè)偏或上仰限速方式；Vmean高于11m/s、Vref為60m/s的地區(qū)，需要使用變槳距限速方式。

對于直徑小于1m的微型風(fēng)力發(fā)電機，通常不設(shè)空氣動力限速裝置。這種風(fēng)力機主要用于為蓄電池充電，為了防止蓄電池過充及蓄電池充滿后風(fēng)輪發(fā)生飛車，風(fēng)力機常配有泄荷器。泄荷器也用于并網(wǎng)運行的風(fēng)力機，美國Abundant Renewable Energy的10kW風(fēng)力機就使用泄荷器吸收超出逆變器允許范圍的額外功率[6]。另外，泄荷器有時也被當(dāng)作“柔性”電磁剎車使用[4]。

1 風(fēng)輪側(cè)偏

配重式風(fēng)輪側(cè)偏是目前使用最普遍的一種小型風(fēng)力機限速方式。如博力公司的1kW、5kW和10kW風(fēng)力機，美國西南公司的Wisper系列風(fēng)力機，英國Marlec的1kW以下風(fēng)力機，F(xiàn)ortis的10kW、5kW和1.4kW風(fēng)力機都采用風(fēng)輪側(cè)偏限速機構(gòu)。風(fēng)輪上仰在小型風(fēng)力機上也有所應(yīng)用，如西班牙Bornay生產(chǎn)的0.6～6kW系列風(fēng)力機。

與大型風(fēng)力機相比，小型風(fēng)力機技術(shù)發(fā)展較為緩慢。國內(nèi)關(guān)于風(fēng)輪側(cè)偏控制方式的研究文獻很少，肖占俊[7]根據(jù)實踐經(jīng)驗對文獻[11]和[12]提出的傳統(tǒng)配重式風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的設(shè)計方法做了改進；張維智[8]設(shè)計了一臺帶折尾機構(gòu)的500W風(fēng)力發(fā)電機，并做了實驗測試，結(jié)果表明，風(fēng)力發(fā)電機發(fā)生折尾后輸出功率將大幅下降。

相關(guān)研究指出風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)主要有以下特點:

(1)風(fēng)輪側(cè)偏和回位對應(yīng)的風(fēng)速具有不確定性。風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)受湍流的影響較大，風(fēng)輪側(cè)偏和回位對應(yīng)的風(fēng)速及風(fēng)輪側(cè)偏角與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系具有一定的不確定性。此外，風(fēng)切變也會影響風(fēng)輪側(cè)偏性能[9]。如Berger 10kW[10]風(fēng)力機在風(fēng)速增加到約14.8m/s時尾舵開始發(fā)生側(cè)偏，當(dāng)風(fēng)速在13.4～17.9m/s之間變化時，尾舵處于側(cè)偏－回位－側(cè)偏的擺動狀態(tài)，這種不斷的擺動是我們不希望發(fā)生的。Bowen[11]認為是湍流及其引起的尾翼對風(fēng)不準確最終導(dǎo)致了風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)沒有按照設(shè)計的情況運行。NREL對ARE442(額定功率10kW)的測試[6]也表明大風(fēng)時存在尾舵沒有偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速遠遠高于設(shè)計值的情況。

(2)湍流影響風(fēng)力機的發(fā)電量和風(fēng)輪載荷。總體來說，湍流強度越高，風(fēng)力機發(fā)電量越少，風(fēng)輪載荷越大[12,13]。Riziotis等[12]指出湍流是影響風(fēng)力機疲勞壽命的一個最重要的因素。

(3)功率與風(fēng)速的對應(yīng)關(guān)系不確定。Bowen[11]、Summerville[14]、William[13]的風(fēng)場測試結(jié)果表明風(fēng)力機功率散點圖存在上下兩個分支。Bowen和Summerville認為其原因是尾舵回位對應(yīng)的風(fēng)速要小于尾舵折尾對應(yīng)的風(fēng)速，上面的分支對應(yīng)于風(fēng)力機的正常運行狀態(tài)，下面的分支對應(yīng)于折尾狀態(tài)。但Jorge[15]的研究卻顯示了不同的結(jié)果，風(fēng)力機在負載為12V、24V和48V蓄電池時功率散點圖都沒有出現(xiàn)分支，但在負載為12V蓄電池并聯(lián)一個電阻時，功率散點圖出現(xiàn)了上下兩個分支，且并聯(lián)電阻值越小，分支越明顯。Jorge認為功率值較低的分支是由葉片失速引起的，風(fēng)速上升時，由于風(fēng)輪重載運行，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升較慢，導(dǎo)致攻角較大，葉片運行在失速狀態(tài)，從而風(fēng)力機功率較?。灰坏┤~片脫離了失速運行狀態(tài)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率會快速上升，從而形成功率散點圖上面的分支。

(4)高風(fēng)速對應(yīng)的平均功率遠遠低于額定功率。張維智[8]、Bikdash[10]、Bowen[11]、NREL[16]等的測試結(jié)果表明高風(fēng)速時尾舵通常會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，風(fēng)輪側(cè)偏后功率明顯下降，使得高風(fēng)速對應(yīng)的平均功率遠遠低于額定功率。但也偶爾出現(xiàn)高風(fēng)速時風(fēng)輪未發(fā)生側(cè)偏致使風(fēng)輪超速運行的情況。

(5)具有風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的風(fēng)力機啟動風(fēng)速較高，這是因為偏心距會引起風(fēng)輪對風(fēng)偏差[6,17]，從而使作用的風(fēng)輪上有效風(fēng)速降低。

2 被動變槳距

被動變槳距分為向順槳方向變槳距和向失速方向變槳距。向順槳方向變槳矩是指葉片向槳矩角減小的方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速在13～25m/s的范圍內(nèi)，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍通常為4?～26?；向失速方向變槳矩是指葉片向槳矩角增大的方向旋轉(zhuǎn)，風(fēng)速在13～25m/s的范圍內(nèi)，為了使功率維持在額定值，槳矩角變化范圍為0?～?4?[5]。向失速方向變槳矩的優(yōu)點是葉片旋轉(zhuǎn)角度較小，缺點是葉片失速后的空氣動力很難準確估算[13]。

德國Superwind的350W風(fēng)力機使用離心式被動變槳矩控制，在風(fēng)速12～60m/s范圍內(nèi)，配重的離心力驅(qū)動葉片向順槳方向旋轉(zhuǎn)約30?，以維持額定功率輸出[5]。EOLTEC的6kW風(fēng)力機、Ampair的300W和600W風(fēng)力機使用的是向失速方向變槳距的離心式被動變槳距限速方式。Pitchwind AB公司的PW14/30風(fēng)力機使用被動變槳矩控制，但驅(qū)使葉片轉(zhuǎn)動的是葉片的空氣動力轉(zhuǎn)矩。葉尖制動也是一種被動變槳距方式，如Ventera Energy公司的VT10使用葉尖制動作為大風(fēng)限速方式，NREL的測試結(jié)果[18]表明，轉(zhuǎn)速在220～240r/min時葉尖制動啟動，轉(zhuǎn)速低于220r/min時葉尖在彈簧力的作用下回位。

關(guān)于被動變槳距的研究文獻并不多。Hertel[1]的模擬仿真結(jié)果表明，如果設(shè)計得當(dāng)，變槳距控制的風(fēng)力機可實現(xiàn)在高風(fēng)速時輸出功率不發(fā)生明顯下降，但目前還沒有實驗數(shù)據(jù)能證明這一點。

3 失速控制

小型風(fēng)力機的失速控制包括被動失速和柔性失速兩種方式。被動失速控制結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高，90年代初該限速方法廣泛應(yīng)用于定轉(zhuǎn)速、定槳矩的中、大型風(fēng)電機組[19]。該控制方法的工作原理是風(fēng)速增加時，轉(zhuǎn)速保持不變，作用于葉片上的攻角增大，氣流從葉片表面脫離，從而發(fā)生失速。

目前，大型風(fēng)電機組以變槳距控制為主，而越來越多的并網(wǎng)運行的小型風(fēng)力機開始青睞于失速控制，但使用的仍然是定轉(zhuǎn)速運行模式。如英國Gazelle的20kW風(fēng)力機、Gaia-Wind的11kW風(fēng)力機、德國Aerodyn和SMA合作生產(chǎn)的AeroSmart 5kW風(fēng)力機、美國Endurance的5kW、35kW、50kW風(fēng)力機。失速控制要求葉片本身具有較好的失速性能，且通常使用的是異步發(fā)電機，可直接與電網(wǎng)相連，電網(wǎng)就像一個大飛輪，無論風(fēng)速的大小，始終將風(fēng)輪保持在定轉(zhuǎn)速(或者轉(zhuǎn)速變化非常小)運行狀態(tài)[20]。定轉(zhuǎn)速運行的風(fēng)力機的并網(wǎng)技術(shù)較為成熟，其并網(wǎng)逆變器價格要遠低于變轉(zhuǎn)速運行風(fēng)力機的逆變器。

應(yīng)用于變轉(zhuǎn)速運行風(fēng)力機的被動失速控制又稱為柔性失速。柔性失速在理論上可行，但與定轉(zhuǎn)速運行的風(fēng)力機相比，其并網(wǎng)所需的變頻器價格較高，且容量較大的定槳矩風(fēng)力機通常需要配置葉尖制動裝置，這使得風(fēng)力機結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜，使其相對于變槳距風(fēng)力機的優(yōu)勢大打折扣。鑒于以上原因，該技術(shù)至今尚未應(yīng)用于商業(yè)運行的大型風(fēng)力機[19]。但該技術(shù)在小型風(fēng)力機上已有所應(yīng)用。美國西南公司的Skystream 3.7風(fēng)力機使用失速控制，與傳統(tǒng)的失速控制的風(fēng)力機不同，該風(fēng)力機可變轉(zhuǎn)速運行，且使用的是永磁發(fā)電機[21]。

柔性失速(Soft-Stall)是指大風(fēng)時通過控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速使風(fēng)輪在較低尖速比狀態(tài)下運行，使葉片發(fā)生失速，降低風(fēng)能利用系數(shù)，從而達到控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和功率的目的。Muljadi[22]從空氣動力學(xué)角度分析了柔性失速的工作原理，但并未通過實驗驗證其可行性，也沒有分析該控制方法的實現(xiàn)手段。Neal[23]提出了在風(fēng)力提水機上使用調(diào)節(jié)電阻實現(xiàn)柔性失速控制的方法，并通過實驗證實了該方法可提高系統(tǒng)功率輸出，增加提水量。Bourlis[24]和Bystryk[25]分析了變速運行風(fēng)力機的失速控制原理及控制方案。Ahmed[26]將柔性失速應(yīng)用于一臺垂直軸小型風(fēng)力機，并設(shè)計了控制器，臺架實驗結(jié)果顯示控制器可以工作在柔性失速模式。

柔性失速主要存在以下兩個缺陷，從而影響了它的廣泛應(yīng)用。(1)控制不穩(wěn)定，在陣風(fēng)情況下控制可能失效。(2)柔性失速控制策略的實現(xiàn)有一定難度。如果控制響應(yīng)速度太慢，風(fēng)力機可能會超速運行，甚至起不到限制轉(zhuǎn)速的作用；如果響應(yīng)速度太快，發(fā)電機線圈內(nèi)會產(chǎn)生較大的電流，影響電氣設(shè)備使用壽命；另外，發(fā)電機電流快速增大的結(jié)果是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的快速下降，從而引起較大的機械載荷。

三 小型風(fēng)力機結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

1 風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

小型風(fēng)力機的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型多是針對具有風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的風(fēng)力機建立的。Muljiadi[27]給出了風(fēng)輪側(cè)偏力矩和尾舵回位力矩的簡化計算公式，以及風(fēng)力機關(guān)于塔架中心軸的運動方程，對采用風(fēng)輪側(cè)偏和柔性失速兩種方式綜合控制的風(fēng)力機進行了模擬分析。Bialasiewicz[28]給出了風(fēng)輪、發(fā)電機、整流器、控制器(最大功率跟蹤)和帶阻尼的風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的簡化數(shù)學(xué)模型，并編寫了仿真程序，模擬結(jié)果表明增加折尾阻尼會降低折尾速度，延長折尾時間，從而減小折尾過程增加的風(fēng)力機載荷，但是會降低風(fēng)能利用系數(shù)。以上研究對風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的運動方程簡化的主要內(nèi)容為:

(1)計算風(fēng)輪側(cè)偏力矩時只考慮風(fēng)輪推力的影響，風(fēng)輪推力系數(shù)簡化為只隨尖速比變化的函數(shù)。

(2)假設(shè)風(fēng)輪側(cè)偏角與尾舵偏轉(zhuǎn)角相等。

(3)假設(shè)尾翼氣動中心到尾銷的距離與尾翼氣動中心到塔架中心軸的距離相等。

(4)尾舵回位力矩簡化為尾舵偏轉(zhuǎn)角的一次函數(shù)。

以上簡化使仿真模型無法用于分析各項設(shè)計參數(shù)對側(cè)偏性能的影響。Bikdash[10]和Audierne等[29]建立了廣義坐標下的風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)的拉格朗日運動方程，在計算風(fēng)輪側(cè)偏力矩時采用了以BEM為基礎(chǔ)的風(fēng)輪葉片空氣動力學(xué)模型，不同的是Audierne等建立模型是沒有考慮風(fēng)輪上仰角，而Bikdash沒有考慮風(fēng)輪尾流對作用在尾翼上的風(fēng)速的影響。Audierne等[29]采用其建立的風(fēng)輪側(cè)偏機構(gòu)模型詳細分析了風(fēng)輪側(cè)偏特性及其影響因素，并且給出了處于風(fēng)輪尾流區(qū)域中尾翼上風(fēng)速的計算方法。

2004年，F(xiàn)AST風(fēng)力機模擬仿真平臺[30]中加入了風(fēng)輪側(cè)偏的計算模型，其中包括目前小風(fēng)機常用的風(fēng)輪偏轉(zhuǎn)機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型。FAST是目前考慮因素最為全面、源代碼對公眾開放的小型風(fēng)力機結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真軟件，并且是通過專業(yè)認證[31]的可用于小型風(fēng)力機設(shè)計計算的仿真軟件。

2 被動變槳距風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

目前，關(guān)于被動變槳距風(fēng)輪結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究成果較少。Hertel等[1]建立了偏心式被動變槳距(向順槳方向)風(fēng)輪的結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，并對變槳距風(fēng)輪在穩(wěn)態(tài)和湍流風(fēng)況下的動態(tài)特性進行了仿真計算，計算結(jié)果表明變槳阻尼有助于增加變槳機構(gòu)的穩(wěn)定性，葉片變槳后風(fēng)輪推力減小，但是沒有相關(guān)的實驗驗證。

四 尾舵對風(fēng)的數(shù)學(xué)模型

1 尾翼空氣動力學(xué)模型

風(fēng)力機空氣動力學(xué)模型包括風(fēng)輪、機艙、塔架及尾流模型，用于大型風(fēng)力機的模型基本也適用于小型風(fēng)力機，如葉素動量理論、葉尖輪轂修正。但與大型風(fēng)力機不同的是，小型風(fēng)力機采用尾舵對風(fēng)，尾翼空氣動力學(xué)是專屬于小風(fēng)電的一個研究方向。

小型風(fēng)力機利用作用在尾翼上的風(fēng)壓力實現(xiàn)風(fēng)輪對風(fēng)，而尾流風(fēng)速是影響尾翼風(fēng)壓力的關(guān)鍵因素。動量葉素理論[20]給出的風(fēng)輪正對風(fēng)時尾流風(fēng)速為:

其中，V為來流風(fēng)速；α為軸向誘導(dǎo)因子。當(dāng)風(fēng)輪運行在最佳尖速比狀態(tài)時，α為0.33，UW為0.67V。Ackerman[32]給出風(fēng)輪在對風(fēng)偏差角為θ時尾流風(fēng)速的表達式:

其中，ε為氣流膨脹角；Ψ為風(fēng)輪葉片方位角。當(dāng)考慮輪轂對尾流的影響時，Magnusson[33]指出風(fēng)輪后的氣流損失呈現(xiàn)“雙峰分布”的形式，由于輪轂的阻擋，“雙峰”的峰谷出現(xiàn)在輪轂后方約1/4風(fēng)輪直徑的位置。但是，在風(fēng)輪后方約一倍的風(fēng)輪直徑的位置，風(fēng)速損失呈“拋物體”分布，風(fēng)速損失的最大值出現(xiàn)在風(fēng)輪中心位置。該“拋物體”與風(fēng)向垂直的截面形狀為橢圓。Audierne等[29]對Magnusson給出的“拋物體”分布的尾流損失模型進行了進一步分析，給出了“拋物體”幾何形狀的計算公式和作用在尾翼上的水平風(fēng)速的表達式。

風(fēng)輪推力系數(shù)的大小是影響尾流風(fēng)速的一個重要因素。Magnusson[33]的實驗結(jié)果表明風(fēng)輪推力系數(shù)越大，尾流損失越大，尾流風(fēng)速越小。當(dāng)風(fēng)輪重載運行時，風(fēng)輪推力系數(shù)較大，動量理論不再適用，需要對α進行修正，使用較多的是Glauert經(jīng)驗修正公式[20]。

Larwood[34]測試了直徑為10m的風(fēng)輪在正對風(fēng)和側(cè)偏狀態(tài)下的尾流切向速度和軸向速度，為小型風(fēng)力機尾流模型的修正提供了依據(jù)；另外，測試結(jié)果也表明尾流速度的不穩(wěn)定程度很大程度上取決于風(fēng)輪葉尖速比，受風(fēng)輪對風(fēng)狀態(tài)影響較小。

2 尾舵對風(fēng)運動方程

小型風(fēng)力機多采用尾舵對風(fēng)，這種被動對風(fēng)方式最大的缺點是對風(fēng)速度較難確定。Ebert[35]采用位勢理論建立了Delta(尾翼的運動方程，通過建立數(shù)學(xué)模型和風(fēng)洞實驗分析了尾翼面積和形狀、尾桿長度對尾舵阻尼、固有頻率的影響。

最簡單的尾翼模型為Kristensen[36]給出的“偽靜態(tài)(pseudo-static)”假設(shè)模型，該模型假設(shè)在一定的攻角范圍內(nèi)，作用在尾翼上的升力和阻力是靜態(tài)的。Ebert的風(fēng)洞實驗結(jié)果[35]表明了“偽靜態(tài)”假設(shè)理論的局限性。Ebert將尾舵(不包括風(fēng)輪和機體)以一定的側(cè)偏角放置于風(fēng)洞之中，保持風(fēng)速不變，然后放開尾舵使其可自由旋轉(zhuǎn)，“偽靜態(tài)”認為此時尾翼會做簡諧運動，但實驗中尾翼受到很大的阻尼作用。

Katz[37]和Leishman[38]在“偽靜態(tài)”假設(shè)模型的基礎(chǔ)上建立了“非穩(wěn)態(tài)細長體(USB)”模型。該模型同樣假設(shè)作用在尾翼上的升力是穩(wěn)態(tài)的，阻力忽略不計，但增加了阻尼作用，即由和尾翼一起運動的空氣引起的“附加質(zhì)量”。Bechly等[39]采用USB理論推導(dǎo)了尾翼氣動力矩的計算方法，并建立了尾舵對風(fēng)運動方程，同時證明了風(fēng)輪椎角有助于增加風(fēng)輪對風(fēng)穩(wěn)定性。Wright A K[17]測試了各種形狀尾翼的升力、阻力系數(shù)，建立了尾舵對風(fēng)動力學(xué)模型，并將計算結(jié)果與實測結(jié)果作比較，表明風(fēng)力機空轉(zhuǎn)狀態(tài)下仿真結(jié)果與實測結(jié)果的一致性要高于風(fēng)力機發(fā)電狀態(tài)下的一致性。

五 結(jié)論

本文綜述了小型風(fēng)力機的大風(fēng)限速方法及其仿真模型的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，同時介紹了尾舵對風(fēng)的空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型的研究進展。

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