楊偉新，宋 鵬，陳 雷，劉曉輝，李成晨

(1.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京 100004) (2.魯能新能源(集團(tuán))有限公司河北分公司，河北 張家口 075000) (3.許昌許繼風(fēng)電科技有限公司，河南 許昌 461000)

偏航系統(tǒng)是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵系統(tǒng)，在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)中起著相當(dāng)重要的作用[1]，偏航電機(jī)在伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下使風(fēng)輪軸向始終對(duì)風(fēng)，保持機(jī)組獲得最大迎風(fēng)面從而提高機(jī)組發(fā)電效率[2]。

目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用不同方法對(duì)偏航系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，如Malllawi[3]對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪、塔架在偏航動(dòng)作過程中的載荷進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了因偏航運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的左右振動(dòng)；紀(jì)斌等[4]建立了柔性多體塔架-葉片耦合結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，獲得了誘導(dǎo)因子時(shí)程曲線和氣動(dòng)相應(yīng)均值；徐佳妮等[5]提出基于最佳葉尖速比的功率趨勢(shì)分析方法，確定了偏航零點(diǎn)偏移角。

本文采用風(fēng)電載荷計(jì)算常用的成熟軟件Bladed模擬不同機(jī)組狀態(tài)下偏航角度偏差對(duì)機(jī)組載荷的影響，從而獲得機(jī)組不同狀態(tài)下極限載荷位置，根據(jù)仿真和理論分析結(jié)果制定合理的偏航保護(hù)策略，有效降低機(jī)組的極限載荷，對(duì)風(fēng)電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 偏航角度偏差對(duì)機(jī)組載荷的影響

1.1 偏航角度偏差Bladed仿真計(jì)算

本文以某公司2 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組為研究對(duì)象，機(jī)組的基本參數(shù)見表1，采用業(yè)內(nèi)具有極高權(quán)威性和被廣泛應(yīng)用的Bladed軟件開展仿真試驗(yàn)研究。

表1 某風(fēng)機(jī)的基本參數(shù)

仿真試驗(yàn)研究偏航角度偏差對(duì)機(jī)組運(yùn)行和停機(jī)兩種狀態(tài)的影響，以確定不同偏航角度偏差對(duì)機(jī)組載荷的影響。

試驗(yàn)1：風(fēng)機(jī)狀態(tài)為運(yùn)行發(fā)電狀態(tài)，分別采用GL2010認(rèn)證指南中規(guī)定的極端風(fēng)向變化風(fēng)模型(ECD)和湍流風(fēng)模型(NTM)疊加持續(xù)偏航，模擬機(jī)組載荷和振動(dòng)隨偏航角度偏差的變化。ECD模型風(fēng)速和風(fēng)向變化如圖1所示，NTM模型風(fēng)速變化如圖2(a)所示，持續(xù)偏航偏差如圖2(b)所示。仿真試驗(yàn)組合方案為：ECD風(fēng)模型的初始風(fēng)速分別為7,9,11,15 m/s，NTM風(fēng)模型的平均風(fēng)速為12 m/s，湍流風(fēng)種子數(shù)量為10個(gè)，分別以最大正向偏航速度0.4 (°)/s從0°正向持續(xù)偏航至330°，以最大負(fù)向偏航速度-0.4 (°)/s負(fù)向持續(xù)偏航至-330°，如圖2(b)所示，以10個(gè)湍流風(fēng)種子下載荷均值作為統(tǒng)計(jì)代表值。

圖1 ECD風(fēng)模型風(fēng)速風(fēng)向示意

圖2 NTM風(fēng)模型風(fēng)速變化及機(jī)組持續(xù)偏航示意

試驗(yàn)2：風(fēng)機(jī)狀態(tài)分別為投入風(fēng)輪鎖停機(jī)和未投風(fēng)輪鎖駐機(jī)狀態(tài)，采用一年一遇極大湍流風(fēng)模型(EWM)模擬。仿真試驗(yàn)方案為：偏航角度偏差為0°,30°,…,330°共計(jì)12個(gè)位置，10 min平均風(fēng)速為30 m/s，風(fēng)切變系數(shù)為0.11，縱向湍流強(qiáng)度為11%。仿真過程中保持機(jī)艙位置不變，以初始風(fēng)向角作為偏航角度偏差。

1.2 偏航角度偏差對(duì)機(jī)組載荷影響分析

因相對(duì)位置關(guān)系，在Bladed仿真軟件中定義正風(fēng)向與負(fù)的偏航角度偏差相對(duì)應(yīng)，負(fù)風(fēng)向與正的偏航角度偏差相對(duì)應(yīng)，如圖3所示。試驗(yàn)1中發(fā)電狀態(tài)+ECD風(fēng)模型仿真結(jié)果如圖4～7所示，其中風(fēng)向變化過程中槳距角變化如圖4所示，葉根y方向彎矩MBy的變化如圖5所示，偏航軸承y方向的彎矩MYy的變化如圖6所示。結(jié)合圖3和圖5可知，同一風(fēng)速下隨偏航角度偏差增加,葉根彎矩有所降低，負(fù)向偏航角度偏差情況下降低較明顯；結(jié)合圖3和圖6可知，偏航角度偏差對(duì)偏航軸承彎矩影響比較大，偏航軸承彎矩隨負(fù)偏航角度的增加而增加，隨正偏航誤差的增加而反向增加，在40°～90°偏航角度間出現(xiàn)極限載荷，仿真中7,9,11,15 m/s風(fēng)速出現(xiàn)偏航軸承極限載荷對(duì)應(yīng)的偏航角度偏差分別在100°、80°、60°、40°附近，隨風(fēng)速的增加出現(xiàn)偏航軸承極限載荷對(duì)應(yīng)的偏航角度偏差值有所降低。

圖6 偏航軸承y方向彎矩MYy時(shí)間序列

圖5 葉根y方向彎矩MBy時(shí)間序列

圖4 槳距角時(shí)間序列

圖3 偏航角度偏差時(shí)間序列

試驗(yàn)1中發(fā)電狀態(tài)+NTM風(fēng)模型仿真結(jié)果如7所示，圖中P代表正風(fēng)向，N代表負(fù)風(fēng)向。由圖可知，葉根y方向彎矩MBy隨偏航角度偏差的增加而降低，在60°和300°附近出現(xiàn)極限載荷，偏航軸承y方向彎矩MYy隨偏航角度偏差的變化呈周期性變化，在140°～220°范圍內(nèi)出現(xiàn)極限載荷。

試驗(yàn)2中機(jī)組風(fēng)輪鎖鎖定或者不鎖定狀態(tài)+EWM風(fēng)模型仿真結(jié)果如圖8所示，圖中比值為當(dāng)前偏航角度偏差下各部件載荷與各偏航角度偏差下載荷均值的比值。由圖可知，風(fēng)輪鎖定狀態(tài)下葉根和偏航軸承載荷高于未鎖定狀態(tài)，在偏航角度偏差為40°和300°附近出現(xiàn)極限載荷，在150°～250°之間載荷較小，因此當(dāng)極限風(fēng)速經(jīng)過時(shí)可以將機(jī)艙偏離主風(fēng)向150°～250°，有利于降低機(jī)組載荷。

圖8 EWM+停機(jī)狀態(tài)下機(jī)組載荷時(shí)序

試驗(yàn)2中機(jī)組風(fēng)輪鎖鎖定或者不鎖定狀態(tài)+NWP風(fēng)模型仿真結(jié)果如圖9所示， NWP風(fēng)模型載荷仿真結(jié)論與EWM風(fēng)模型下仿真趨勢(shì)相近。

圖9 NWP+停機(jī)狀態(tài)下機(jī)組載荷時(shí)序

圖7 NTM 風(fēng)模型下持續(xù)偏航角度偏差下 葉根和偏航軸承彎矩時(shí)序

2 偏航保護(hù)策略下機(jī)組載荷情況

風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)決定機(jī)組的對(duì)風(fēng)情況，較

大的偏航誤差對(duì)機(jī)組發(fā)電量影響較大[6]，而過于嚴(yán)格的偏航保護(hù)限值會(huì)導(dǎo)致偏航系統(tǒng)頻繁動(dòng)作，機(jī)組頻繁啟停機(jī)而影響機(jī)組追風(fēng)。綜合考慮機(jī)組發(fā)電狀態(tài)偏航誤差對(duì)載荷的影響及現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)向變化情況，制定兩種偏航保護(hù)策略：策略1，設(shè)定短期(30 s)偏航保護(hù)限值為30°和瞬時(shí)(3 s)偏航保護(hù)限值為45°，當(dāng)30 s內(nèi)偏航角度偏差均值達(dá)到30°或3 s內(nèi)偏航角度偏差均值達(dá)到45°時(shí)，機(jī)組啟用偏航保護(hù)策略按照既定停機(jī)策略停機(jī)，以避免機(jī)組出現(xiàn)大的偏航角度偏差引起極限載荷；策略2，與策略1一樣設(shè)置短期(30 s)和瞬時(shí)(3 s)的偏航保護(hù)限值，考慮到風(fēng)速越小風(fēng)向變化越大，設(shè)置偏航保護(hù)限值隨風(fēng)速增加而降低，即風(fēng)速分別為3 m/s、10 m/s和30 m/s時(shí)對(duì)應(yīng)的短期偏航限值依次為50°、40°和30°，對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)偏航限值依次為70°、60°和50°，當(dāng)偏航角度偏差達(dá)到設(shè)定要求時(shí)機(jī)組啟用偏航保護(hù)策略，按照既定停機(jī)策略停機(jī)。

在NTM風(fēng)模型下分別對(duì)策略1和策略2下機(jī)組載荷情況進(jìn)行仿真，并與無(wú)保護(hù)策略進(jìn)行對(duì)比，其中葉根、輪轂中心和偏航軸承載荷對(duì)比結(jié)果分別如圖10～12所示。由圖可知，與無(wú)保護(hù)策略相比，啟用偏航保護(hù)策略1后機(jī)組葉根MB、輪轂中心Myz和偏航軸承MY的極限載荷分別降低約16.3%、32.2%、22.0%，啟用偏航保護(hù)策略2后分別降低約16.0%、32.2%、22.0%。由此可見，啟用偏航保護(hù)策略有效降低了偏航偏差引起的極端載荷。

圖10 葉根彎矩MB對(duì)比情況

圖11 輪轂彎矩Myz對(duì)比情況

圖12 偏航軸承MY對(duì)比情況

3 偏航保護(hù)過程理論分析

偏航保護(hù)策略驗(yàn)算采用與實(shí)際更接近的NTM風(fēng)模型，理論分析中采用ECD風(fēng)模型可以充分排除風(fēng)速和風(fēng)向不確定性對(duì)載荷的影響，圖13為在偏航保護(hù)策略開啟前提下葉根MB和葉片槳距角的時(shí)間歷程，A點(diǎn)為ECD風(fēng)模型陣風(fēng)開始時(shí)刻，C點(diǎn)為陣風(fēng)結(jié)束時(shí)刻，B點(diǎn)為偏航保護(hù)策略開始停機(jī)時(shí)刻，D點(diǎn)為停機(jī)過程中任一時(shí)刻。

圖13 葉根MB和槳距角時(shí)間歷程

從圖13中可以看出，機(jī)組在觸發(fā)偏航保護(hù)策略停機(jī)過程中葉片彎矩明顯下降且出現(xiàn)正、負(fù)向波動(dòng)，該波動(dòng)對(duì)機(jī)組較為不利，會(huì)引起機(jī)組凈空降低、塔架推力疲勞增加等，需要對(duì)該載荷情況進(jìn)行深入分析，以降低波動(dòng)幅值。

圖14 偏航過程示意圖

圖15 負(fù)偏航角度偏差停機(jī)過程葉素氣流示意圖

由速度三角合成方法可知：

(1)

由三角函數(shù)關(guān)系確定入流角D=α+β， 因此入流角D為：

(2)

式中：ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速；R為葉素位置處風(fēng)輪半徑；α為葉素攻角；β為槳距角；φ為偏航角度偏差。

停機(jī)過程中隨著槳距角β的增加，導(dǎo)致葉素攻角α進(jìn)一步減小，直至到0°或者負(fù)角度。葉素升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd、扭力系數(shù)Cm隨葉素攻角變化情況如圖16所示，當(dāng)攻角為負(fù)角度時(shí)，葉素處正、負(fù)壓區(qū)與原來(lái)相反，即圖13中葉根彎矩MB為負(fù)。隨著風(fēng)速和風(fēng)向的增加導(dǎo)致葉素攻角增加，如果葉素攻角的增加量大于停機(jī)變槳導(dǎo)致的葉素攻角降低量，則葉片的正、負(fù)壓區(qū)的狀態(tài)與原來(lái)保持一致，圖13中葉根彎矩MB呈正方向，因此在停機(jī)、風(fēng)加速過程中葉片的葉根彎矩MB正負(fù)交替，與正偏航角度偏差停機(jī)過程一致。

圖16 葉素升阻系數(shù)隨攻角變化

根據(jù)槳距角、攻角和偏航角度偏差間的關(guān)系[7]，在大風(fēng)時(shí)應(yīng)設(shè)置較小的偏航保護(hù)限值，小風(fēng)時(shí)應(yīng)設(shè)置較大的偏航保護(hù)限值，以有效降低機(jī)組的載荷波動(dòng)。

4 結(jié)論

本文對(duì)不同湍流風(fēng)模型、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下機(jī)組載荷隨偏航角度偏差的變化趨勢(shì)進(jìn)行了仿真分析，研究了葉根、輪轂和塔頂載荷與偏航角度偏差的相關(guān)性，獲得了極限載荷的偏航角度偏差范圍及較低載荷的偏航角度偏差范圍，提出了相關(guān)偏航保護(hù)策略，并對(duì)偏航保護(hù)策略進(jìn)行了理論分析計(jì)算，得到結(jié)論如下：

1)通過對(duì)不同風(fēng)模型下載荷仿真分析發(fā)現(xiàn)，葉根彎矩和偏航軸承彎矩分別在60°/300°、140°～220°時(shí)出現(xiàn)極限載荷，在機(jī)組待機(jī)或風(fēng)輪鎖定情況下，偏航角度偏差為40°或300°附近會(huì)出現(xiàn)葉根和偏航軸承極限彎矩載荷，在150°～250°載荷較小，因此當(dāng)經(jīng)過機(jī)組風(fēng)的風(fēng)向極端變化時(shí)，可以將機(jī)艙偏向風(fēng)向150°～250°，有利于降低機(jī)組載荷。

2)根據(jù)機(jī)組極限載荷與偏航角度偏差的相關(guān)性確定偏航保護(hù)策略的保護(hù)限值，避免機(jī)組偏航到極端載荷對(duì)應(yīng)的偏航角度；通過對(duì)偏航角度偏差限值觸發(fā)停機(jī)過程的理論分析，結(jié)合槳距角、攻角和偏航偏差角間的關(guān)系，確定在大風(fēng)過程中設(shè)置較小的偏航保護(hù)限值，小風(fēng)過程中設(shè)置較大的偏航保護(hù)限值，以有效降低因攻角的正、負(fù)向移動(dòng)導(dǎo)致的疲勞載荷波動(dòng)。