吳俊輝 劉作輝 李力森 黃強 陳明亮 常璐

（華銳風電科技（集團）股份有限公司）

0 引言

我國海上風能資源豐富，具備大規(guī)模發(fā)展海上風電的風資源條件。在節(jié)能減排、應(yīng)對氣候變化、能源短缺、能源供應(yīng)安全形勢日趨嚴峻的大形勢下，海上風電作為典型的清潔能源越來越受到重視。與陸地風電場開發(fā)相比，海上風電具有不占用土地、風力資源更穩(wěn)定、風速更高的優(yōu)點，效能明顯優(yōu)于陸上風電場。此外，海上風電對人類生產(chǎn)、生活的環(huán)境影響較小，因此，海上風電易于大型化、規(guī)模化發(fā)展，必將成為未來全球風電開發(fā)的重要方向。

近幾年隨著以英國為代表的歐洲國家大批海上風電項目的實施，海上風電經(jīng)歷了創(chuàng)紀錄的增長，海上風電成為亮點引起投資熱潮和各國關(guān)注。面對海上市場需求的迅猛增長，各國開始了越來越多的海上風電研發(fā)。為了降低海上安裝和維護成本，從而降低海上風電的發(fā)電成本，單機容量最大化是海上風電發(fā)展的一個重要趨勢。為了適應(yīng)海上風電發(fā)展的趨勢，超大型海上風電機組作為下一代海上機型的準備，需要提到研究日程上來。而隨著單機容量的增加，大型風電機組對載荷設(shè)計精度及載荷控制的要求越來越高。面對海上特殊環(huán)境的考驗，海上風電機組的控制優(yōu)化將是今后發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 海上風力發(fā)電機組載荷的類型

海上風力發(fā)電機組的運行過程是一個多物理場、多因素相互耦合的過程，涉及到風場風速特性、空氣動力學、波浪力學，結(jié)構(gòu)動力學、發(fā)電機以及控制等因素。它們的耦合相互作用，隨著整機單機容量的增大變得更加顯著。因此在海上風電機組的結(jié)構(gòu)動力性分析設(shè)計中，要充分考慮各種不同載荷的聯(lián)合作用。圖1出示了作用于海上風電機組上的外部環(huán)境特性，可以看出海上風電機組外部載荷主要由空氣動力載荷、慣性和重力載荷、水動力載荷、運行載荷、海冰載荷、船舶沖擊載荷組成，其中水動力載荷、冰載和船舶影響是海上風電機組特有的載荷來源。

圖1 海上風電機組外部環(huán)境

2 降載優(yōu)化控制策略

由于海上風電場面對風和波浪的雙重負荷的考驗，對風力發(fā)電機組的支撐結(jié)構(gòu)（包含塔架、基礎(chǔ)和連接等）要求很高，海上氣候環(huán)境惡劣，天氣、海浪、潮汐等因素復雜多變，風機的安全可靠性要求很高。另外，在整個風電場的投資成本中，基礎(chǔ)和支撐結(jié)構(gòu)的成本占總成本的比例很大。因此，整機載荷的優(yōu)化對整個風電場成本降低起著至關(guān)重要的作用。

本文提出了幾種降低海上風電機組載荷的控制方法。這些方法包含分段停機控制、軟切出、塔架加阻控制，具體如下。

2.1 分段停機

風力發(fā)電機組的塔底載荷一般出現(xiàn)在機組快速停機過程中，此時葉片變槳速率處于7deg/s，由于葉片快速變槳，將風輪面的受力在短時間內(nèi)快速卸載，將對風力發(fā)電機組的塔筒造成巨大的沖擊載荷。針對以上現(xiàn)象，控制系統(tǒng)采用一種分段式停機策略，在風力發(fā)電機組觸發(fā)快速停機策略時，葉片變槳速率為7deg/s，當葉片變槳角度達到1°左右，將變槳速率調(diào)整為3 ～4deg/s，直至葉片達到順槳位置，如圖2所示。

從圖中可以看出，通過分段停機策略，可以實現(xiàn)降低塔筒底部載荷。

2.2 風機軟切出

一般情況下，對于風力發(fā)電機組來說，正常的運行風速范圍通常是3～25m/s，但是如果風力發(fā)電機組是在海洋環(huán)境條件下，在風力發(fā)電機組達到切出條件執(zhí)行停機之后，由于葉片所受的氣動阻尼消失，對于支撐結(jié)構(gòu)起主要作用的是水動力載荷。此時由于高風速的影響會進一步增大浪高，尤其在熱帶氣旋條件下，由于風和海浪之間的延遲效應(yīng)，當風速快速降低或平穩(wěn)時，高能量的波浪仍作用在支撐結(jié)構(gòu)上，這導致支撐結(jié)構(gòu)受到的波浪力急劇增加。針對以上現(xiàn)象，控制系統(tǒng)可以采用軟切出策略來降低支撐結(jié)構(gòu)載荷，主要是通過在切出風速以上保持風機以一定功率發(fā)電，利用葉片的氣動阻尼降低波浪所產(chǎn)生的載荷。具體運行的功率值可以通過保持發(fā)電機額定扭矩不變，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)，如圖3所示。

圖2 海上風機分段停機策略示意圖

圖3 海上風機軟切出控制策略示意圖

通常相對高的轉(zhuǎn)速水平才能產(chǎn)生較大的氣動阻尼來降低結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)振動，但隨著轉(zhuǎn)速的增加，風機的主要部件如葉片、主軸承、輪轂等可能會超載，因此需要通過載荷安全評估確定一個適當?shù)霓D(zhuǎn)速保證提供足夠的氣動阻尼，同時又保證部件的載荷不超過設(shè)計載荷。

2.3 塔筒加阻控制

塔筒加阻方案是基于對塔筒頂部機艙的加速度的測量進而修訂變槳控制，通過在現(xiàn)有變槳角度上疊加一額外變槳動作，這個額外的變槳角度的變化會在塔筒頂部運動反方向上產(chǎn)生阻尼效果，進而降低塔筒振動帶來的載荷。

湍流、塔影、風切變以及海拔載荷的變化都可能使風機塔架產(chǎn)生振動，振動通過變槳系統(tǒng)的放大，反過來通過外部激勵作用到風輪上。當激振頻率接近機組某部件的固有頻率時，將產(chǎn)生受迫振動，導致機組運行不穩(wěn)定。特別是葉片作為吸收風能的主要部件，受到的影響最大，一旦葉片和變槳控制發(fā)生耦合，在控制回路中會不斷放大塔架的微小振蕩。尤其再加上海上復雜海波載荷的作用，機組可能發(fā)生自激振蕩，甚至共振。

塔架的前后振動是很弱的阻尼振蕩，具有很強的諧振響應(yīng)，即使在風速和海波很小的時候也可以保持很強的諧振。響應(yīng)的快慢取決于阻尼的大小，主要來自于風輪和塔架的等效阻尼。

塔架的動態(tài)特性可以用簡單的二階諧波阻尼系統(tǒng)近似進行描述：

式中，x為塔架的位移；F為外加力，這里代表風和海波的共同推力；△F為由變槳控制動作所引起的附加應(yīng)力；M為塔架的等效模態(tài)質(zhì)量；K為模態(tài)的剛度系數(shù)；則塔架頻率為如果△F與_ x成正比，則可以明顯增加有效阻尼振蕩。因為測量加速度要比測量速度容易，因此通過對塔架加速度的積分來推出x的變化。為了得到精確的附加阻尼Dp，由應(yīng)力對槳距角的偏微分可以得到△F合適的增益，其中β為槳距角。

圖4是采用塔架加阻和沒采用塔架加阻兩種策略仿真下塔筒底部彎矩示意圖，從圖中可以看出，塔架加阻控制時，機組的變槳角度變化會稍微頻繁，因為變槳控制響應(yīng)了機組振動加速度反饋項，盡管變槳機構(gòu)動作明顯增加，但需要的變槳速率卻變化很??；機組的電功率輸出、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、葉片載荷、輪轂載荷、偏航軸承載荷影響較?。坏珯C組的塔架載荷得到明顯降低。這種控制策略增加了塔架的阻尼，明顯降低了塔架的基本載荷。

圖4 海上風機軟塔筒加阻控制策略示意圖

3 結(jié)束語

本文著重分析了海上風機的載荷來源，并提出了分段停機控制、軟切出、塔架加阻控制等載荷優(yōu)化控制手段，結(jié)果表明這些控制策略可以有效降低機組的載荷。

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