鄧永華 姜慶云

摘 要：風(fēng)力發(fā)電機的自動控制水平是風(fēng)機效率和可靠性的重要指標(biāo)之一。目前的風(fēng)機一般只將風(fēng)速作為風(fēng)機切入的判斷條件。事實上，風(fēng)機在運行過程中，風(fēng)速切入主要由空氣密度和風(fēng)速的三次方的乘積決定。本文根據(jù)風(fēng)能捕獲和空氣密度相關(guān)的思想，提出了空氣密度調(diào)節(jié)的風(fēng)機切入機制。這種機制在近乎零成本的投入下，可在低風(fēng)速風(fēng)場提高發(fā)電量約0.5%。

關(guān)鍵詞：空氣密度;切入風(fēng)速;發(fā)電量

中圖分類號：TM614 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）02-0038-03

A New Improving Energy Product Model of Modulating?Wtg Cut-In Wind Speed by Air Density

Abstract： Automatic control represents one of the most important factors responsible for the efficiency and reliability of wind power conversion systems. Thus far， only the wind speed is considered as cut-in control mechanism. In fact， the cut-in requirement is determined by the ρv3， i.e. the air density times the cube of incoming wind speed， so the air density should be considered as the cut-in parameter. Based on this concern， a new model was suggested that the cut-in speed was modulated by the instant air density. This model can improve the energy product about 0.5% without any hardware cost at low speed wind farm.

Keywords： air density;cut-in wind speed;energy product

1 研究背景

風(fēng)機切入風(fēng)速的設(shè)定是檢驗風(fēng)機質(zhì)量的重要參數(shù)?，F(xiàn)代風(fēng)機電器系統(tǒng)大多采用變速恒頻運行方式，同時不斷追求最大的風(fēng)能捕獲（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。李晶[1]、姚駿[2]、趙仁德[3]等提出了多種實現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤的控制方法，但缺乏對切入風(fēng)速變化本身的關(guān)注。早些年，人們都將切入風(fēng)速設(shè)定為相對較高的數(shù)值，因為早些年高風(fēng)速風(fēng)場居多，低風(fēng)速階段的發(fā)電量較少而不受到運營商的重視。近年來，高風(fēng)速風(fēng)場開發(fā)飽和，低風(fēng)速風(fēng)場得到快速發(fā)展，風(fēng)機的低風(fēng)速發(fā)電性能得到了關(guān)注[4]。低風(fēng)速風(fēng)機對切入風(fēng)速非常重視，因為其需要風(fēng)機在盡量低的風(fēng)速下正常啟動，保證正常切入，從而減少啟動故障。

風(fēng)機設(shè)計決定了風(fēng)機的切入性能。同時，風(fēng)機的切入與運行環(huán)境密切相關(guān)。之前，人們對風(fēng)機切入風(fēng)速的研究較少，一般都取固定值。本文指出，風(fēng)機切入風(fēng)速與風(fēng)場運行環(huán)境中的空氣密度密切相關(guān)?；谶@一原理，結(jié)合不同季節(jié)空氣密度不同，提出了一種新的風(fēng)機切入調(diào)節(jié)機制。這種模式只需修改控制邏輯算法（幾乎零成本投入），即可顯著提升發(fā)電量。

2 空氣密度調(diào)節(jié)的風(fēng)機切入機制

空氣密度是指單位體積內(nèi)空氣的質(zhì)量?？諝饷芏仍酱?，空氣中所攜帶的能量越多。風(fēng)能捕獲模型[5]為：

[P=12ρACpλ，βv3] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式（1）中，[P]為可捕獲功率;[ρ]為空氣密度;[A]為風(fēng)機掃風(fēng)面積;[Cp]為風(fēng)機的風(fēng)能利用系數(shù)，其是葉尖速比[λ]和槳距角[β]的函數(shù);[v]為風(fēng)速。

由式（1）可知，可捕獲功率[P]和空氣密度[ρ]成正比。在相同風(fēng)速情況下，空氣密度越大的地方和季節(jié)，可捕獲功率越高。

風(fēng)機切入風(fēng)速的最佳設(shè)定是：風(fēng)機從氣流中捕獲的能量，剛好滿足風(fēng)機啟動并網(wǎng)條件。對于已經(jīng)樹立的風(fēng)機而言，掃風(fēng)面積A和風(fēng)能利用系數(shù)[Cp]等均為定值，則風(fēng)機啟動與[Cp·ρv3]相關(guān)。在風(fēng)速變化較小的情況下，可認(rèn)為[Cp]不變，則風(fēng)速啟動只與[ρv3]有關(guān)。對于空氣密度大的地區(qū)和季節(jié)，切入風(fēng)速可以設(shè)置得稍微小一些。

假設(shè)風(fēng)機在某空氣密度[ρ0]下風(fēng)機設(shè)計切入風(fēng)速為[v0]，則在某一時刻當(dāng)?shù)乜諝饷芏萚ρ1]下，根據(jù)式（2），切入風(fēng)速[v1]可以設(shè)置為式（3）[6]。

[ρ0v30=ρ1v31] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

[v1=ρ0ρ13×v0] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

根據(jù)式（3），已知某一空氣密度下風(fēng)機切入風(fēng)速，即可計算實時的切入風(fēng)速。

在大多數(shù)地區(qū)，空氣密度隨季節(jié)呈現(xiàn)較大變化[7]。以安徽某年度80m平均風(fēng)速為5.32m/s的三類風(fēng)場為例，該風(fēng)場月度平均空氣密度趨勢變化如圖1所示（左縱坐標(biāo)軸）。假定該風(fēng)場安裝的風(fēng)機在空氣密度最小（七月份）的情況下，切入風(fēng)速3.0m/s足以支持風(fēng)機正常啟動，那么在其他月份，根據(jù)式（3）得到的切入風(fēng)速變化也如圖1所示（右縱坐標(biāo)軸）。

目前，大多數(shù)風(fēng)機在一年內(nèi)所有時間段都使用固定的切入風(fēng)速。事實上，如圖1所示，風(fēng)機在空氣密度較高月份完全可以采用較低的切入風(fēng)速;在1月份，切入風(fēng)速可以設(shè)為2.88m/s。由此根據(jù)該風(fēng)場的測風(fēng)數(shù)據(jù)推算，則每年可延長風(fēng)機在風(fēng)速3m/s附近的工作時間約200h。按照該延長時間內(nèi)功率全部為30kW，全年滿發(fā)小時數(shù)2 000h計算，則該策略可提升全年發(fā)電量的0.5%。

對于地處寒帶的高風(fēng)速風(fēng)場（如中國的黑龍江、內(nèi)蒙古，新疆等地），空氣密度差異更大，冬夏季的切入風(fēng)速設(shè)置要相差更大，則發(fā)電量提升效果會更加顯著。

3 設(shè)計方案

假定在標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下，風(fēng)機設(shè)定在某一空氣密度[ρ0]下的切入風(fēng)速為[v0]。

3.1 計算空氣密度

3.1.1 方案一。如果風(fēng)機設(shè)有空氣密度傳感器，則直接利用實時的空氣密度[ρ]，根據(jù)式（3）來判斷合適的啟動風(fēng)速v。

3.1.2 方案二。如果風(fēng)機沒有空氣安裝密度傳感器，但具備溫度和大氣壓強傳感器，則根據(jù)理論氣體公式（見式（4））[8]，利用實時的溫度和大氣壓強，計算實時的空氣密度[ρ]。

[ρ=BR×T] ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中，[T]為空氣實時空氣絕對溫度（K）;[B]為大氣壓強（Bar）;[R]為干燥空氣的大氣常數(shù)，[R]=287.05J/（kg·K）。

3.1.3 方案三。如果風(fēng)機既無空氣密度傳感器，又無大氣壓強傳感器，但具備溫度傳感器，則可以假設(shè)當(dāng)?shù)卮髿鈮簭姙槎ㄖ担缓罄脤崟r溫度，根據(jù)式（4）來計算實時的空氣密度[ρ]。這時，大氣壓強可根據(jù)當(dāng)?shù)卮髿鈮簭娔甓绕骄祦碓O(shè)定，也可根據(jù)壓強和高度的關(guān)系來設(shè)定當(dāng)?shù)仄骄鶜鈮?。氣壓和高度的關(guān)系參見相關(guān)文獻[9]。

3.1.4 方案四。如果風(fēng)機不具備測量空氣密度、大氣壓強和溫度的所有設(shè)備，則可以根據(jù)當(dāng)?shù)啬甓瓤諝饷芏茸兓厔荩深愃朴诙吻€，如圖1所示），擬合出空氣密度變化規(guī)律，然后根據(jù)月份來對應(yīng)插值得到近似的空氣密度，或者記錄每月空氣密度數(shù)值進行調(diào)用。由于這種近似可能存在較大誤差，所以設(shè)置參數(shù)時需要預(yù)留較大的閾值。

目前，大多數(shù)廠家風(fēng)機具備外置溫度傳感器，所以第三種方案具有廣泛的適用性。

3.2 計算實時啟動風(fēng)速

計算出實時的空氣密度[ρ]后，根據(jù)式（3）和給定空氣密度下的啟動風(fēng)速[v0]，即可計算實時啟動風(fēng)速[v0]。

4 結(jié)論和討論

本文利用風(fēng)場空氣密度的變化特性，給出一種空氣密度調(diào)節(jié)風(fēng)機切入的新模式，并給出了4種設(shè)計方案。該模式只需要修改控制算法而不需要任何其他硬件投入，即可實現(xiàn)發(fā)電量的有效提升。在一個平均風(fēng)速為5.32m/s的低風(fēng)速風(fēng)場，增加這種機制將帶來0.5%的發(fā)電量提升。預(yù)期在空氣密度變化更為顯著的寒冷地帶，發(fā)電量提升將更加顯著。接下來，筆者將在寒冷地帶做測試，以證實這種機制對發(fā)電量提升的貢獻。

風(fēng)機切入風(fēng)速可能與多種因素有關(guān)，空氣密度只是其中一個易于控制且非常顯著的參數(shù)。進一步，筆者可以研究其他因素如湍流強度、入流角、天氣對切入風(fēng)速的影響，以及風(fēng)場環(huán)境對風(fēng)機控制的影響，并進一步優(yōu)化風(fēng)機控制，達到提升發(fā)電量的目的。

參考文獻：

[1]李晶，方勇，宋家驊，等.變速恒頻雙饋風(fēng)電機組分段分層控制策略的研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005（9）：15-21.

[2]姚駿，廖勇，瞿興鴻，等.直驅(qū)永磁同步風(fēng)力發(fā)電機的最佳風(fēng)能跟蹤控制[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008（10）：11-15.

[3]趙仁德，王永軍，張加勝.直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大功率跟蹤控制[J].中國電機工程學(xué)報，2009（27）：106-111.

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[8]汪志誠.熱力學(xué)與統(tǒng)計物理[M].北京：高等教育出版社，2008.

[9] Minzner R A. The 1976 Standard Atmosphere and its relationship to earlier standards[J]. Reviews of Geophysics，1977（3）：375-384.