风力发电机组气动载荷控制方法研究

风力发电机组气动载荷控制方法研究

夏宗朝

明阳智慧能源集团股份公司 广东省 中山市  528436

摘要：随着全球对可再生能源需求的不断增长，风力发电作为一种清洁、可再生的能源方式，其在全球能源结构中的比重逐年提升。然而，风力发电机组在运行过程中会受到复杂多变的风载荷作用，导致系统稳定性下降、机组安全性能降低以及结构疲劳和磨损加剧。因此，研究和开发有效的风力发电机组气动载荷控制方法，对于提高风电机组的运行效率和安全性，延长其使用寿命具有重要意义。

关键词：风力发电机组；气动载荷；控制策略

引言：本文研究了风力发电机组气动载荷控制的方法，以应对风力发电中面临的挑战，特别是如何减少气动载荷对风机性能的影响。通过分析风力发电机组气动载荷产生的原因，本文强调了控制气动载荷对提高系统稳定性、保障机组安全运行及减少结构疲劳和磨损的重要性。进一步地，本文提出了几种有效的气动载荷控制策略，包括利用先进的监测与预测技术、基于激光雷达的自适应控制策略、主动流控和机翼控制技术的协调优化以及结构响应的主动抑振技术。

一、风力发电机组气动载荷产生原因

风力发电机组在运行过程中受到的气动载荷主要来源于风的不稳定性和复杂性。风速的快速变化、湍流以及大气的不均匀性都会对风力发电机叶片产生不同程度的影响，从而引起气动载荷。首先，风速的快速变化，特别是阵风，会造成瞬时的过载，这对风力发电机的结构稳定性和运行寿命构成挑战。其次，由于大气边界层内的湍流效应，风力发电机叶片在旋转过程中会经历不同的风速，这种不均匀的风速分布导致叶片受到变化的气动力，增加了机械疲劳。此外，地形因素如山脉、建筑物等也会影响风场的分布，造成局部风速的显著变化，进一步增加气动载荷的复杂性。风力发电机的设计和位置选择需考虑这些因素，以最小化气动载荷对发电效率和设备安全的影响。

二、风力发电机组气动载荷控制的重要性

(一)提高系统稳定性能

控制风力发电机组的气动载荷对于提高整个系统的稳定性能至关重要。气动载荷的波动性和不可预测性对风电机组的稳定运行构成挑战，尤其是在强风和极端气候条件下。通过有效的气动载荷控制，可以显著减少由于风速变化引起的输出功率波动，从而提高电力供应的稳定性和可靠性。

(二) 保障机组安全运行

气动载荷的有效控制对于保障风力发电机组的安全运行至关重要。未经控制的高气动载荷会对风机的关键结构组件，如叶片、塔架和基础，施加过大的应力，增加故障和损坏的风险。在极端气候条件下，如强风暴，这种风险尤为显著。通过实施有效的载荷控制措施，可以限制这些关键部件所受的最大应力，延长其使用寿命，减少因结构损坏或故障导致的意外停机时间。例如，实时监测风速和风向的变化，并相应调整叶片角度和机组方向，可以减轻风力对机组的影响，避免超出设计负荷。

(三) 减少结构疲劳和磨损

有效控制风力发电机组的气动载荷不仅有助于提高系统的稳定性和保障安全运行，还能显著减少机组结构的疲劳和磨损。风力发电机组在长期运行过程中，由于不断变化的风速和风向，其结构部件会经历重复的应力循环，导致疲劳损伤积累。特别是叶片、轴承和齿轮等部件，它们对于气动载荷的敏感性较高，容易出现磨损和损坏。通过采用先进的控制技术，如主动流控技术、机翼控制技术以及结构响应的主动抑振技术，可以有效地减轻这些部件的负载，延长其寿命，减少维护和更换成本。

三、风力机组气动载荷有效控制策略

(一)先进的监测与风载荷预测技术

随着技术的进步，先进的监测和风载荷预测技术已成为风力发电机组气动载荷有效控制的关键。这些技术能够实时准确地监测风场状态，包括风速、风向和湍流强度等参数，为风电机组提供精确的风载荷数据。通过利用大数据分析和机器学习算法，可以从历史数据中学习并预测风的行为，进而预测气动载荷的变化趋势。这种预测能力使得风电机组能够提前做出反应，调整叶片角度或机组方向，优化其对风力的响应，从而有效减少不利气动载荷的影响。先进的监测系统还可以识别风电机组的异常运行状态，及时发现可能增加气动载荷的潜在问题，如叶片损伤或塔架振动等。通过及时的维护和修复，可以避免这些问题导致的额外载荷，保持机组的高效稳定运行。综合运用先进的监测与风载荷预测技术，不仅可以提高风电机组的运行效率和稳定性，还可以延长其使用寿命，降低维护成本，增强风电项目的经济性和可靠性。

(二) 基于激光雷达的自适应控制策略

基于激光雷达（LIDAR）的自适应控制策略是风力发电机组气动载荷有效控制的另一重要技术。激光雷达是一种可以远距离监测风速和风向的设备，它能够提供高精度的风场数据，包括风电机组前方数百米范围内的风速分布情况。这使得风电机组可以在风力实际作用于叶片之前，就已经获得了关于即将到来的风的详细信息。借助这些信息，基于激光雷达的自适应控制系统能够预先调整叶片的俯仰角和机组的偏航角，优化其对即将到来的风力的响应。这种预先调整的能力显著提高了风电机组对复杂风场变化的适应性，有效减少了因风速和风向突变引起的不必要的气动载荷，从而减轻了叶片和其他结构部件的疲劳损伤，延长了机组的使用寿命。此外，基于激光雷达的自适应控制策略还可以增强风电机组在极端气候条件下的安全运行能力，通过及时调整，避免可能的过载情况。

(三)主动流控和机翼控制技术的协调优化

主动流控和机翼控制技术的协调优化是实现风力发电机组气动载荷有效控制的先进策略之一。主动流控技术通过改变流体流过叶片表面的方式来控制气动力，例如，使用吹气或吸气装置来改善叶片表面的气流，减少涡流的产生，从而降低气动阻力和提高升力。机翼控制技术，如可变几何叶片或叶尖装置，通过物理改变叶片的形状或姿态，以适应不同的风力条件，优化叶片的气动性能。协调这两种技术的关键在于实现对风力发电机组气动载荷的精细管理，使其在不同风速和风向条件下均能保持最佳性能。通过集成先进的传感器和实时控制系统，可以动态调整流控策略和叶片形态，以应对即时的风场变化。这种协调优化不仅能显著减少因风速变化或湍流引起的气动载荷，还能提高风电机组的发电效率和可靠性，减少结构疲劳，延长服务寿命。主动流控和机翼控制技术的协调运用还有助于减少风力发电机组的噪音，提高其环境友好性。综合来看，这种协调优化策略为风力发电机组提供了一种高度灵活和有效的气动载荷控制手段，对于提升风电技术的整体竞争力具有重要意义。

(四) 结构响应的主动抑振技术

结构响应的主动抑振技术是针对风力发电机组中由于气动载荷引起的振动问题的有效控制策略。该技术通过在风电机组的关键结构部件上安装主动抑振器或调谐质量阻尼器，动态调整系统的阻尼特性，从而减轻或消除由气动载荷引起的振动。这种主动控制方式能够实时响应风力变化和结构振动状态，通过精确调节抑振器的工作参数，有效地减少结构应力和疲劳损伤，延长风电机组的使用寿命。主动抑振技术的应用不仅限于减少叶片的振动，还可以扩展到塔架和基础等其他结构部件，对整个风电机组的稳定性和安全性提供全面的保护。与传统的被动阻尼技术相比，主动抑振技术具有更高的灵活性和效率，可以根据实时监测到的振动特性和外部风载荷条件，自动调整抑振策略，以达到最佳的抑振效果。

结语

通过对风电机组气动载荷控制技术进行分析和研究，不难发现气动载荷控制技术来稳定风电机组发电效率，提高机组可靠性等方面的重要作用。本文提出了一种基于激光雷达的自适应控制策略，经实验证明，该方面在稳定风机发电功率与减少气动载荷方面具有良好的应用效果，能够有效降低风电机组向气动载荷，确保风机运行可靠性，从而延长风机使用寿命，降低风电机组维护成本。

参考文献

[1] 沈涛.漂浮式海上风力发电机组载荷优化及控制技术研究[D].重庆大学[2024-02-08].DOI:CNKI:CDMD:2.1016.731582.

[2] 张少帅.风力发电机气动载荷分析及智能独立变桨控制技术研究[D].华北电力大学,2012.DOI:10.7666/d.y2145524.

[3] 张少帅.风力发电机气动载荷分析及智能独立变桨控制技术研究[D].华北电力大学,2013.