什么是风电机组的塔影效应?

2020-02-16

塔影效应是指由于风电机组塔架的阻塞作用引起的塔架后面的风速降低的现象。根据定义来看,似乎塔架只是对下风向风力机有影响。其实在上风向条件下,塔架-转子的相互作用与扫略面和塔架之间的距离有密切关系。只有转子在塔架上游的很远处时,塔架-转子的相互作用才可以忽略。而在下风向条件下,转子在塔架的下游。每当转子扫过塔架的时候,都会与塔架后面一个风速降低区域内的湍流产生相互作用,这个区域就被称为塔架尾迹区或塔影区。因此,对下风向风力机而言,塔影效应问题更突出一些。

风轮旋转时,桨叶在风轮扫掠面中的位置呈周期性变化,在经过塔架所在位置时,由于塔影效应的影响,会加剧叶片在风轮扫掠面上所受到的空气动力载荷的周期性变化。而周期性气动载荷会引起叶片动响应,响应又反馈于外部气动载荷,使得本就复杂的风力机振动、疲劳等问题变得更加复杂且不容忽视。同时由于载荷的周期变化,对并网的风电机组来说,其输出功率也存在一定的波动,输出电能质量会受到一定影响。

塔影效应主要有三种不同的模型:上风向的潜流模型、下风向的经验塔架尾迹模型和组合模型。

具体来讲是:水平轴风力机根据来流、叶片、塔架的相对位置,可分为上风向风力机和下风向风力机。海上风速大,引起的叶片形变也大,对于上风向风力机来说,当叶片经过塔架所在位置时,容易与塔架发生碰撞,造成风电机组的损坏,因此,下风向风力机是海上风电机组发展的趋势。下风向风力机由于塔架在扫略面的前方,受到的塔影效应影响更大些。

主流兆瓦级以上的三桨叶水平轴风电机组,其直径接近或超过百米,同时叶片空间互差120°。由于塔影效应影响,加剧了叶片在风轮扫略面上所受到的空气动力载荷的周期性变化,同时对风电机组的输出功率也会产生一定的波动。降低载荷波动的比较有效且可行的办法就是使用独立变桨距调节技术,给每个叶片叠加一个独立的桨距信号,使3只叶片具有不同的空气动力学特性,以补偿风的不均匀性引起的俯仰载荷和偏航载荷。

有学者对独立变桨距控制系统引入坐标变换-Coleman变换,将风轮线性时变模型变换为线性时不变模型,同时将系统部分解耦,简化控制器的设计。在此基础上,建立独立变桨距控制系统,对风电机组的载荷情况进行仿真研究,并与采用统一变桨距控制策略的风电机组进行比较分析。

研究结果表明:在塔影效应影响下,采用独立变桨距控制策略的风电机组载荷波动较采用统一变桨距控制策略的风机有明显改善,削弱了塔影效应载荷波动的影响,并延长了机组的使用寿命。

编自《电气技术》,原文标题为“减小塔影效应载荷波动的独立变桨距控制研究”,作者为陈雷、孙宏利等。

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