杜运超，汪建文,2*，王赢政，张建伟，闫思佳
(1. 内蒙古工业大学能源与动力工程学院，内蒙古 呼和浩特 010051；
2. 内蒙古自治区风能太阳能利用机理及优化重点实验室，内蒙古 呼和浩特 010051)
自然风的风速、风向时刻都在变化，这使得风力机在实际运行过程中风轮旋转平面因长时间不能正对来流风方向而处于偏航状态，偏航状态会导致有效扫风面积减小，风轮转速下降，输出功率减小.为解决此类问题，研究人员在设计风力机时添加了偏航系统，使风力机在运行过程中利用其偏航调节系统来调节风轮的迎风角度，让风轮可以跟随风向的变化转动，将风能最大限度地转化为机械能.但是，由于风速、风向变化较快，规律多变，偏航调节系统存在惯性反应不灵敏的因素，风轮旋转平面并不能及时调节到垂直于来流风向的位置，因此风轮依然可能处于偏航状态.
国内外学者针对来流风与风轮旋转平面存在某固定夹角时风力机的气动性能.进行了大量的研究[1-4].美国NASA AMES实验室的Phase Ⅵ项目对固定风速下的风轮直径为10 m的风力机进行了旋转到固定偏航角的非稳态空气动力学试验，测出了在不同偏航角下叶片表面压力和流体动态压力等数据[5].BASTANKHAH等[6]发现风电场所排布风力机在一定偏航角度下运行可有效提高风电场的总发电功率.UMBERTO等[7]通过数值模拟研究偏航控制对大小2种规模的风力机发电功率的影响，发现大规模风力机通过合适偏航控制可获得更高的功率输出.EBRAHIMI等[8]采用计算模态分析的方法研究NREL 5 MW海上风力发电机在强风和快速偏航等极端风况下的瞬态性能.胡丹梅等[9]对NREL 5 MW风力机的气动性能采用数值模拟方法分析了垂直风切变、阵风和风向变化3种工况下风力机的气动性能.潘茂华等[10]采用数值模拟方法对稳态偏航条件下的大型风力机进行流固耦合分析，结果发现风力机在偏航情况下，叶轮的功率输出和推力输出会产生周期性波动.
各国研究机构对固定偏航角下风力机进行了大量的研究，但是由于风速、风向是连续的变化过程，稳态偏航的试验设定与风力机在自然风场中的实际运行状况存在偏差，因此近年来研究人员研究了来流风与风轮旋转平面之间夹角动态变化下风力机各项性能.曹九发等[11-12]针对稳态偏航、动态偏航等复杂工况，采用非定常自由涡尾迹方法计算尾迹形状和气动载荷，得出大型风力机在复杂工况下的气动性能、载荷、动态响应和尾迹叶尖涡线特性，并计算出风力机在复杂工况下的迟滞时间.王枭[13]采用自由涡尾迹方法，计算了大型风力机在剪切风和动态偏航等工况下的载荷与尾迹发展.叶昭良等[14-15]针对风力机偏航过程中风轮的动态尾流特性，采用数值模拟方法对NREL Phase Ⅵ风力机进行了0°～30°偏航角动态偏航过程的数值模拟，得出了在该偏航范围内风力机尾迹流场变化特点.
文中针对风向匀速变化时同一风速、不同尖速比下风力机的输出功率、转速变化情况进行试验研究，同时对风向变化开始及结束时风力机运行存在的迟滞现象进行分析，以期为风力机在实际运行中可靠性、经济效益的预估提供参考，并且为偏航工况下风力机的设计运行提供借鉴.
试验采用课题组自行设计的标准S翼型三叶片水平轴风力机，风轮直径1.4 m，额定功率300 W，额定来流风速8 m/s，额定转速546 r/min，叶片采用樟子松木为芯，表面蒙皮玻璃纤维为1∶1的0°/90°铺设，杨氏弹性模量为7.8 GPa，泊松比为0.47；
以叶片长为R,叶轮中心为原点，该叶片翼型最大弦长位于沿展向0.15R处，为193.2 mm，其最大扭角为28.95°，如图1所示.
试验风洞为B1/K2直流式低速风洞，其无法实现风向的变化，因此在风力机底部安装动态旋转平台，该平台由控制器、伺服电动机、减速器、旋转台等设备构成，伺服电动机与旋转台通过减速器相连，控制器可通过编程输入转速、转向等指令.当伺服电动机按照设定速度运行时即可同时带动旋转台搭载风力机整体，以塔筒为轴心进行水平方向旋转，而通过控制伺服电动机的旋转方向与速度即可间接控制旋转台的旋转方向与速度，进而实现风向变化方向及速度的模拟，设备整体如图2所示.
图1 水平轴风力机
图2 风向变化试验台整体图
风力机的输出功率及转速变化数据，采用Fluke NORMA功率分析仪进行测量记录，该设备可对风力机运行过程中功率、转速数据实时采集，如图3所示.
图3 功率分析仪
试验现场设备整体布局如图4所示.试验中风向变化过程如图5所示，图中t为时间，θ为偏航角度.风向变化速度为匀速变化，参考IEC61400中规定的极端风向角变化速度5°/s，以5°/s速度为上限每间隔1°/s选取1个风向变化速度，即选取5个风向变化速度1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s.试验中受风洞设备及外界环境影响，来流风会与设定风速值存在误差，通常采取提前开启风洞并观测风速仪的方法来减小试验误差，因此本试验中采取对测量数据提前采集的方法来进一步减小系统误差，即在风轮正对来流风时采集10 s该状态下的功率、转速数据，然后再进行风向变化过程中的数据采集，风向变化示意图如图5所示.
图4 设备整体布局示意图
图5 风向变化示意图
风向变化在第10 s处开始，以风轮正对来流风时定义为0°，以面向风轮逆时针方向为风向变化方向，分别以5种速度变化至45°，当风向变化至45°后试验并不停止，而是以当前状态继续运行较长的一段时间，并记录相关数据.
试验过程中，风轮额定工况为风速8 m/s，尖速比(叶片叶尖线速度与来流风速的比值)λ为5，因此，为了使试验中运行工况更全面并且包括额定工况，风力机的运行工况选择了风速为8 m/s，尖速比λ分别为4.5，5.0，5.5，6.0这4种工况.在不同尖速比下分别进行5种风向变化速度的试验测试，采集风力机输出功率及转速变化数据.
2.1 风向变化速度对风力机输出功率的影响
在风速为8 m/s，尖速比分别为4.5，5.0，5.5，6.0，风向变化速度分别为(1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s)下运行的风力机输出功率变化规律如图6所示.图中可以看出，前10 s风轮正对来流风时，受试验设备及环境因素的影响，风力机输出功率具有轻微的波动现象.第10 s风向开始变化后，输出功率呈波动下降趋势，同一尖速比不同风向变化速度下的输出功率最终趋近于同一数值，这是因为当风向变化过程结束后，风力机与来流风之间夹角都固定在45°，所以风力机在经过一定时间的运行后输出功率会趋近于同一数值.
对比4种不同尖速比下同一风向变化速度，如当风向变化速度为1°/s时，可以发现输出功率下降趋势都是先经过5 s左右的波动，然后下降速率增加；
当风向变化过程结束后即第55 s时，输出功率仍会持续下降一定幅度，直至某一稳定值，且初始尖速比越大，这一数值也会越大，最终稳定功率值分别为6.0，7.5，9.0，15.0 W，因为尖速比越大风力机负载越小，当风速、风向不再改变时，负载越小，风力机输出功率值越大.观察图6b可发现，风向变化速度越大，输出功率下降速率越大，下降至最终稳定值所用时间越短，因为当风向变化缓慢时，风轮吸收风能的有效面积在缓慢减小，输出功率下降趋势也相对缓慢，风向变化速度增大后会导致来流风作用在风轮旋转平面上的风量骤减，因此输出功率下降幅度也相应发生骤降.
图6 不同风向变化下风力机输出功率
2.2 风力机输出功率迟滞现象
在对试验数据汇总分析的过程中发现，当风向变化开始后，风力机输出功率并不是立即随之下降，而是会经过一段时间的波动，然后才会出现明显的下降趋势；
同样的，在风向变化结束后，风力机输出功率仍会持续下降一段时间才能够到达一个稳定值，这证明在风向变化起始和结束时，风力机的输出功率都存在迟滞现象.
将图6中10～20 s区域进行放大单独分析，如图7所示.由图7b可以看出，输出功率都在风向变化开始时出现了小幅度上升现象，然后会经过一段时间的波动才会持续下降，波动过程大约为3 s，其原因是当风向变化开始时，风轮本身转速由于离心力及机械惯性会在短时间内保持相对稳定，来流风作用在风轮上的气动特性也尚未改变，同时在模拟风向变化过程中会使风轮在水平方向上产生一个新的相对速度，此时风轮所受到的合力会出现小幅度上升，从而导致输出功率产生波动.当风向继续变化，来流风作用在风轮旋转面上的余弦分量越来越小，风向变化速度保持不变，所以输出功率在经过初期波动后保持持续下降.同时对比不同尖速比下风力机输出功率在风向变化开始时，都产生了载荷波动现象，且持续时间都在3 s左右，因为试验风速都是8 m/s，风向变化速度设置也一致，所以风轮受到的载荷变化大致相同，起始迟滞时间都维持在3 s左右.
图7 风向变化起始时输出功率迟滞时间
当风向变化结束后，风力机的功率值并不是一个稳定值，而是仍保持下降趋势，在经过一段时间后下降为某定值保持不变.图8为风力机在风向变化结束后输出功率下降分析图.
风向变化速度分别为1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s，总变化角度都为45°，且在第10 s开始变化，因此风向变化结束时间分别为第55.00，32.50，25.00，21.25，19.00 s，然后再经过不同的运行时间达到稳定值.
图8 风向变化结束时输出功率迟滞时间
由图8b所示，当风向分别以不同变化速度改变45°后，风力机输出功率则分别继续运行3，7，8，10，11 s后到达稳定值7.5 W，因为当风向变化过程停止后，风力机相当于在风速8 m/s、偏航角45°工况下运行，所以最终稳定值相同.同时，再对比不同尖速比时风向变化结束后的迟滞时间，可以发现，风向变化速度分别为1°/s，2°/s，3°/s，4°/s和5°/s时，风力机输出功率也在约第60，40，35，31，30 s到达稳定值.
这是因为风向变化速度越低，则风力机在该过程中停留时间越长，受气动载荷、偏心转矩变化影响越大，功率降低幅度越大，所以当风向变化过程结束后越能以较短的时间达到稳定值，且该值随着初始尖速比的增大而增大.
2.3 风向变化速度对风力机转速变化的影响
风速为8 m/s、尖速比为5.0时，5个风向变化速度下风力机转速变化规律如图9所示.当风速为8 m/s、尖速比为5.0时，风力机转速n为546 r/min.从图中可以看出，转速下降规律与输出功率变化规律大致相似，而且也存在迟滞现象，在风向变化开始后首先经过5 s左右的波动，然后转速持续下降，风向变化速度越大，转速下降速率越快、风向变化过程中下降幅度越小、风向变化结束后所需迟滞时间越长，直至降至稳定值120 r/min.
图9 尖速比为5.0时转速变化规律
图10为8 m/s风速，尖速比为6.0时，5个风向变化速度下的风力机转速变化规律.
图10 尖速比为6.0时转速变化规律
通过对比图9与图10可以发现，当尖速比不同时，风力机在风向变化过程中的转速也符合上述变化规律，且尖速比越大，最终稳定转速值越大，因为风向变化结束后风力机相当于是在固定偏航角下运行.
利用旋转平台模拟风向以不同速度匀速变化的过程，进行了风力机输出功率及转速在该过程中变化情况的研究，并对其迟滞现象进行了分析，得出如下结论：
1) 风力机在不同风向变化速度下其输出功率总体呈现下降趋势，风向变化速度越大，下降速率越快，但在其变化过程中对应的下降幅值越小，同一尖速比下最终输出功率稳定在同一数值.
2) 在风向变化开始与结束时都存在迟滞现象.风向变化开始时风力机输出功率出现小幅度上升，并持续波动3 s左右后才会开始下降.风向变化结束后，风力机需要继续运行一段时间，此时输出功率才会达到稳定值，风向变化速度越大，迟滞时间越长，初始尖速比越大，最终稳定后功率值越大，这对风向变化时风力机偏航控制策略的设定与运行具有一定的参考意义.
3) 风向变化过程中风力机转速变化规律与输出功率变化规律趋势相同，也同样存在迟滞现象.相同尖速比时风向变化速度越大，转速下降速率越快，风向变化过程中下降幅值越小，风向变化结束后所需迟滞时间越长，最终稳定在同一转速.尖速比不同时，尖速比越大，最终稳定后转速越大.
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