马铁强,孙德滨,苏阳阳，王士荣

(1.沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870；2.沈阳工业大学 电气工程学院， 辽宁 沈阳 110870；3.沈阳工业大学 风能技术研究所， 辽宁 沈阳 110023)

·实验研究·

风力发电机组机舱温度场均匀性控制研究及应用

马铁强1,孙德滨1,苏阳阳2，王士荣3

(1.沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳 110870；2.沈阳工业大学 电气工程学院， 辽宁 沈阳 110870；3.沈阳工业大学 风能技术研究所， 辽宁 沈阳 110023)

为解决风力发电机组机舱内部温度场分布不均匀导致机舱内部主要热源(如发电机、齿轮箱等)因超温报警停机问题，选取传统的“下送尾排”式风力发电机组为研究对象，引入基于热源扰动的温度场均匀性评价指标，通过正交试验优化设计，使该指标达到极小，分析了外界环境温度、风速、送风口尺寸大小、排风口尺寸大小等影响因子对风力发电机组机舱内部温度场均匀性的影响，从而在原有温度定值控制基础上，机舱内局部差异减小，提高换热效率; 最后通过温度优化控制系统既能实现热源部件的最佳工作温度，又能保障机舱内部温度场分布的均匀性。

风力发电机组；热源扰动；正交试验；温度场均匀性；温度优化控制系统

0 前言

风力发电机组运行于复杂气候环境，既受到外部复杂环境的影响，同时也受到内部部件热量变换及热性能的影响。为了预防盐雾、沙尘等复杂环境的影响，通常情况下发电机、齿轮箱、控制柜等主要热源部件放置在封闭机舱内[1-2]，系统在复杂工况下会以摩擦、碰撞、电磁损耗等多种形式产生热量。机舱内部温度过高会对舱内关键部件产生不利影响[3-4]，尤其是在夏季恶劣工况下，机舱内的零部件可能受到温度影响而发生损坏，从而严重影响风力发电机组的正常工作，该问题现已得到研究人员的重视。相关研究如下：

文献[5～9]模拟和分析了风力发电组发电机、齿轮箱的温度场分布；文献[10]研究了风力发电机组主轴承的滚动体接触摩擦生热及接触区热量分布规律；文献[11] 与文献[12]分别研究极端温度下风力发电机组机舱热性能和机舱散热优化改进方法。

近年来，对于风力发电机组机舱内部散热性能问题，主要集中于齿轮箱、发电机等单个热源部件的温度场分析，风力发电机组整体的散热性能研究偏少，对于风力发电机组机舱内部温度均匀性控制问题尚未见文献报道，在设计风力发电机组冷却系统时，机舱内部温度均匀性控制不仅是冷却系统设计的必要内容,也是保证风力发电机组在复杂工况下持久可靠运行的重要条件。研究机舱内部温度均匀性问题尤为重要，不仅为解决由于机舱内部主要热源引起的超温报警停机问题提供理论支持，也为风力发电机组冷却系统的设计和其它机型风力发电机组内部温度场均匀性控制提供了理论参考和重要依据，因此研究风力发电机组机舱内部温度均匀性尤为重要。

1 设计思路及流程

本文选取传统的“下送尾排”式风力发电机组散热布局结构，引入正交试验设计方法，通过改变外界环境温度、风速、送风口尺寸大小与排风口尺寸大小等影响因子进行仿真数值模拟计算分析，其中输入的是经过系统反馈之后风力发电机组机舱内部温度均匀性控制的CFD计算结果( 四大影响因子)，输入系统反馈后的计算结果，经过正交试验对机舱内部温度场均匀性和温度效率两项指标的计算得到控制输出:几何尺寸、初始条件和边界条件等。具体设计思路及流程如图1所示。

图1 设计思路及流程

2 机舱物理模型

设定风力发电机组内部的齿轮箱、发电机、控制柜等是主要热源部件，忽略其余散热部件和设备对机舱内部流场和温度场的影响。本文以辽宁省某风力发电场双馈风力发电机组为研究对象,机舱外部尺寸为 8 m×3 m×3.4 m，舱内各个部件的几何尺寸均按照实物尺寸建模。具体物理结构如图2所示。

图2 机舱简化布局结构模型

3 控制方程

设定风力发电机组机舱内部气体不可压缩并做定常流动，分别遵守质量、动量和能量守恒定律。

(1)机舱内气体不可压缩，满足质量守恒方程。

(1)

(2)机舱内气体在各个速度分量方向上，满足动量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

(3)不考虑机舱内气体的黏性耗散，满足能量守恒方程。

(5)

式中，u为舱内气体瞬时流速；P为气体压力；cP为气体比热容；k为气体传热系数；T为气体瞬时温度。

4 湍流模型

在风力发电机组通风系统的作用下，机舱内部气流做定常流动，雷诺数较大，并受机舱内部复杂结构与机舱热布局结构等因素的影响，气体流动程湍流状态，采用k-ε湍流模型，具体模型方程如下：

Gb+ρε-YM+Sk

(6)

(7)

式中，Gk为气体层流速度梯度产生的湍流动能；Gb为由浮力产生的湍流动能；YM、Sk、Sε为用户定义的源项，忽略不计；σk为k方程的湍流普朗特数；σε为ε方程的湍流普朗特数。

5 边界条件

图3 网格划分图

根据IEC标准规定的部件工作温度范围及风电场夏季常规监测数据，设定风力发电机组机舱内部温度场分析的温度计算数据。由于机舱内部散热性能与送风口、排风口的位置、风速、流量等影响因素有关，与热源本身的温度无关，因此选定机组稳定运行时部件外壳的温度数据作为分析依据。具体机舱温度场分析参数设置如表1所示。

表1 机舱温度场分析参数

6 指标选择

为准确描述风力发电机组机舱内部散热性能，选取温度均匀性指标与温度效率指标作为参考指标，具体如下：

(1)温度均匀性指标。为准确便捷描述风力发电机组机舱内部温度场的均匀性，本文采用一种基于热源扰动的温度场分布均匀性评价方法[13]，采用温度不均匀系数指标作为试验指标。

(2)温度效率指标。为准确反映风力发电机组机舱内部的排热能力，采用温度效率指标分析，一般情况下，排风口的排风温度总是大于或等于工作区平均室内平均温度, 所以温度效率总是大于等于1,而且其值越大通风效果越好[14]。实际中的热置换通风排污效率或温度效率通常在1～2之间[15]。

7 温度均匀性控制系统设计

7.1 正交试验设计

针对不同的单因素试验结果，通过正交试验的试验方法得出风力发电机组机舱温度场均匀性控制的最优组合方案，分别分析四大影响因素对温度场不均匀性系数和温度效率两个指标的影响程度。考虑实际工况要求，不均匀性系数试验指标要求越小越好，表明对高负荷热源散热控制效果越好；温度效率指标要求越大越好，表明机舱本身的排热能力越好。

根据风力发电机组机舱外形尺寸与机舱内部气流流动特性，在四大影响因素实际允许变化范围内选取3个水平。通过L9(34)正交试验表格正交筛选，具体试验因素与水平详见表2～5，其中表中字母A、B、C、D 分别表示环境温度、风速、送风口尺寸和排风口尺寸等四大影响因素的代码值。

表2 正交实验因子水平

表3 正交试验优化设计与结果

表4 温度不均匀系数指标计算结果

由表格4得到：因子主次A>C>B>D，最优组合A3B3C3D3。

C、D泊位码头前沿供水栓兼作消火栓使用。码头后方需要设置2个泡沫栓，现场增设1个，间距35m位置处增设1个泡沫栓；消防给水管道采用已有给水管，泡沫栓管道采用DN100无缝钢管，接原有泡沫管道，埋地敷设，管道埋深与原管一致。码头后方增加配备移动式水泡和泡沫炮各1套，以及推车式（1台）和手提泡沫式灭火器（4具）。

表5 温度效率指标计算结果

由表5得到：因子主次A>C>B>D，最优组合A3B1C2D3。

通过表3～5综合分析可以得到：

(1)相比温度效率而言，四种影响因子对机舱内部温度场均匀性的影响更加显著。通过比较温度场不均匀系数与温度效率两个指标的变化值，可以看出随着影响因子的不断变化，整体而言，机舱内部温度场不均匀性指标变化起伏较大，而温度效率基本维持在1.4左右，比较稳定。

(2)影响风力发电机组机舱内部温度场均匀性的主要因子是外界环境温度，其次是送风口的尺寸大小，影响因子最弱的是排风口尺寸大小。四种影响因子影响的强弱顺序同样适用于机舱内部的温度效率指标。

(3)比较温度不均匀系数与温度效率两项指标的最优组合，最终选择A3B3C3D3。对于环境温度与排风口尺寸大小这两个影响因子而言，温度不均匀系数与温度效率两项指标的最优组合水平是一致的；对于风速影响因子来说，风速越大，机舱内部温度均匀性越好，但机舱内部的温度效率稍微降低，影响不大，由于风速对机舱内部温度均匀性的影响比对温度效率的影响更加显著，因此选择B3较好；同理，对于送风口尺寸大小的这个因子来说，选择C3更合理。

综上所述，最终选择的最恰当的条件是A3B3C3D3，即外界环境温度为15℃，风速为15 m/s，送风口尺寸与排风口的尺寸分别为600 m × 500 m，700 m ×700 m时，机舱内部温度均匀性分布是最好的。

7.2 优化控制系统

风力发电机组机舱中的齿轮在工作运行中，由于机械传动产生的热量导致齿轮箱油温上升。由齿轮箱故障导致的停机时间和维护费用在各类故障中最高[16]，齿轮箱油温的正常温度在10～65℃之间，最高油温不得超过80℃[17]；发电机在工作过程中绕组的报警温度为125℃[17]；控制柜内部包括复杂的控制设备，随着风力发电机组的发展，控制柜内部设备越来越复杂，产生的热量也越来越多，控制柜的工作温度为-5～40℃[18]。齿轮箱、发电机和控制柜等主要热源对机舱内部的温度场分布影响较大，通过正交试验温度优化控制系统，既能实现机舱内部各个热源尽量在本身正常工作温度范围内，又能保障机舱内部的温度场分布的均匀性。由齿轮箱、发电机和控制柜等主要热源的正常工作环境温度，取三个热源的交集温度10～40℃之间。

具体工作过程如下：首先进行温度均匀性控制系统的初始化操作，假设允许温度缓冲5℃，设定温度阈值15～35℃，通过温度传感器分别测得齿轮箱、发电机和控制柜的实际工作温度，如果实际工作温度高于35℃，启动温度调节系统，通过改变温度、风速、送风口及排风口的流量大小进行降温冷却；同理如果实际工作温度低于15℃，进行温度调节系统的升温加热。通过正交试验温度均匀性控制系统实现机舱内部的各个热源部件工作的最佳温度，使工作效率达到最优的状态。

基于环境温度、风速、送风口尺寸与排风口尺寸大小等影响因子的正交试验优化控制系统流程如图4所示。

采用正交试验温度优化控制系统，在四大不同的影响因素输入下得到温度优化控制系统的响应结果，通过分析不同的结果，得到了四大影响因素的最优组合方式，将其最优组合方式应用于实际的风力发电机组机舱内部温度均匀性控制，不仅实现了机舱内部各热源部件的最佳工作温度，而且能保障机舱内部温度场分布的均匀性，大大提高了风力发电机组的工作效率。

图4 正交试验温度优化控制系统流程图

8 结论

(1)以机舱内部温度场均匀性为主要对象，温度效率为次要对象，详细阐述了正交试验温度优化控制系统的控制实现的具体方法与步骤，不仅为解决由于机舱内部主要热源引起的超温报警停机问题提供了理论支持，同时也分别为风力发电机组冷却系统的设计和其它机型风力发电机组内部温度场均匀性控制提供了理论参考和重要依据，具有一定的实际工程价值。

(2)正交试验温度优化控制系统既能实现机舱内部各热源部件的最佳工作温度，又能保障机舱内部温度场分布的均匀性，大大提高了风力发电机组的工作效率，具有较大的实际意义。

[1] GM Masters. Renewable and Efficient Electric Power Systems[M]，John Wiley & Sons Inc,2005.

[2] 元伟伟.风力发电冷却系统研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[3] Thomas Ackermann. Wind Power in Power Systems [M]. Sweden: Royal Institute of Technology, 2005.

[4] Fco Javier Pino, Luis Valverde, Felipe Rosa. Influence of wind turbine power curve and electrolyzer operation temperature on hydrogen production in wind-hydrogen system [J]. Journal of Power Source, 2011, 196: 4418-4426.

[5] K Nienhaus，M Hilbert. Thermal Analysis of a Wind Turbine Generator by Applying a Model on Real Measurement Data[J]. IEEE International Workshop on Applied Measurements for Power Systems,2012:1-5.

[6] R Shafaie，M Kalantar，A Gholami.Thermal Analysis of 10-MW-Class Wind Turbine HTS Synchronous Generator[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity,2014,24(02):1-9.

[7] R Wrobel，P Mellor，D Holliday. Thermal analysis of a segmented stator winding design[J]. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010:1290-1297.

[8] 胡田,唐任远,李岩，等.永磁风力发电机三维温度场计算及分析.电工技术学报[J]，2013，28(03)：122-126.

[9] 刘洋洋.风电齿轮箱箱体热结构特性探析[J].科技资讯，2010(19):54-54.

[10] C Bouchoule，M Fillon，D Nicolas，F. Barresi Experimental Study of Thermal Effects in Tilting-Pad Journal Bearing at High Operating Speeds[J].Journal of Tribology,1996,118(3):532-538.

[11] Arezki SMAILI, Ali TAHI, Christian MASSON，Thermal analysis of wind turbine nacelle operating in Algerian Saharan climate[J].Energy Procedia, 2012, 18(02 ) :187-196.

[12] 应华冬，黄克源 ，申屠东华，等. 基于CFX的风力发电机组机舱散热优化改进[J]. 2016(02):165-167.

[13] 马铁强，孙德滨，苏阳阳，等.风力发电机组机舱结构散热性能分析方法[J].计算机辅助工程，2016(25)：63-68.

[14] 刘红敏，连之伟，周湘江，等.通风系统的气流组织评价指标及分析[J].流体机械，2003，31(1):17-19.

[15] 马仁民.置换通风的通风效率及其微热环境评价[J].暖通空调，1997(04):1-6.

[16] Z. Daneshi-Far,G. A. Capolino,H.Henao.Review of failures and condition monitoring in wind turbine generators[C].XIX International conference on electrical Machines-ICEM, R ome，2010:1-6．

[17] 姚兴佳，宋俊.风力发电机组原理与应用[M]. 2010(01):57，69.

[18] 张灿华.大功率电机变频控制柜散热数值模拟与分析研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2011.

Research and application of nacelle temperature field uniformitycontrol of wind turbine generator system

MA Tie-qiang1，SUN De-bin1，SU Yang-yang2，WANG Shi-rong3

(1.School of Mechanical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China;2.School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China；3.Institute of Wind Energy Technology，Shenyang University of Technology，Shenyang 110023,China)

Inside the nacelle of wind turbine generator system,it existed the problems of alarm and shutdown with over-temperature of the main heat sources (such as the generator, gearbox, etc.) caused by the temperature field distribution non-uniformity.This paper took the traditional structure of “bottom to tail” as the object of research. The temperature field uniformity evaluation index based on heat source perturbation was introduced and the index reached the minimum with the orthogonal test. The temperature field distribution uniformity influenced by the factors of environment temperature, wind speed, outlet size and inlet size was analyzed. The local difference inside the nacelle was reduced and the heat transfer efficiency was improved. Finally, both the optimum operating temperature of the heat source parts and the temperature field distribution uniformity were realized by the temperature optimal control system.

wind turbine generator system; heat source perturbation; orthogonal test;temperature field uniformity; temperature optimal control system

TM315

A

1001-196X(2017)05-0020-06

2016-09-14；

2016-12-03

国家自然科学基金重点项目(51537007)；国家自然科学基金项目(51207095);辽宁省科技创新重大专项(201303005)。

马铁强(1977-)，男，博士，讲师，主要从事适应复杂环境的风力发电机组多学科耦合设计、分析和仿真理论研究和软件研发。