風(fēng)電機組葉尖凈空分析與控制

王文亮，張國強，李璇燁

(1.國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039；2.風(fēng)電設(shè)備及控制國家重點實驗室，北京 100039)

0 引 言

隨著技術(shù)的發(fā)展成熟以及對制造成本的要求，風(fēng)電機組單機容量不斷增大，風(fēng)輪直徑越來越長。目前陸上風(fēng)電機組單支葉片長度已經(jīng)達到80 m，海上機組甚至超過了100 m。葉片逐步大型化勢必會帶來重量的增加和載荷的變大，考慮制造成本等多方面因素，目前常用的解決方法是將葉片設(shè)計越來越柔軟。

葉尖凈空是指風(fēng)電機組葉片在運行過程中葉尖到塔筒表面的幾何距離，在葉片經(jīng)過塔筒附近時此距離達到最小，最小凈空距離是目前風(fēng)電機組設(shè)計過程中的考慮的主要極限之一[1]。葉片柔性的增加勢必帶來變形的增加，給葉尖凈空帶來不利影響。在機組運行過程中，若葉尖凈空值太小，極可能發(fā)生葉片掃塔現(xiàn)象，造成葉片結(jié)構(gòu)損壞，嚴(yán)重時可能引起倒塔事故，造成重大人身財產(chǎn)安全。文獻[2]采用獨立變槳的方式，提高葉尖凈空的同時，降低了關(guān)鍵零部件的疲勞載荷。文獻[3]通過在未達到額定風(fēng)速時提前變槳的控制方法，減小了機組推力，增大了最小凈空距離，算法簡單但對發(fā)電量有一定的影響。文獻[4]通過凈空傳感器裝置，監(jiān)測可能發(fā)生掃塔的葉尖凈空，采用模糊邏輯控制器實現(xiàn)了最小凈空的控制。

本文基于風(fēng)輪的空氣動力學(xué)特性，分析了影響葉尖凈空的因素，提出了一種基于凈空距離監(jiān)測反饋的控制算法，并對仿真結(jié)果進行了分析。仿真結(jié)果表明凈空監(jiān)測及控制算法系統(tǒng)的有效性，具有推廣應(yīng)用價值。

1 風(fēng)輪氣動性能分析

1.1 風(fēng)輪氣動特性分析

風(fēng)電機組由多種設(shè)備組成，運行時具有多個運動自由度，機組設(shè)計需對此進行結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性分析，主要分為有限元法和模態(tài)分析法2種。DNV公司的Bladed軟件是風(fēng)電機組設(shè)計和載荷計算常用軟件之一，其采用模態(tài)分析理論，將葉片、塔筒等部件作為柔性部件進行建模，能夠?qū)o態(tài)曲線和動態(tài)運行進行仿真。

葉片是典型的柔性部件，分析時可將葉片假設(shè)為沿葉展方向的多個剛性節(jié)點的組合。不考慮塔筒變形時，葉尖凈空距離是葉片各節(jié)點位移的累計，在垂直于風(fēng)輪平面方向的投影。對于葉片任意節(jié)點，運動方程為[5]

(1)

葉尖變形可簡化為僅考慮垂直風(fēng)輪平面方向的位移，此時合外力Fa主要是葉片節(jié)點的空氣動力學(xué)推力。

根據(jù)動量葉素理論[5-6]，風(fēng)輪所受推力可以表示為

(2)

式中，ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；V為來流風(fēng)速；CT為推力系數(shù)。

推力系數(shù)是風(fēng)輪自身的氣動特性之一，主要由葉尖速λ比和槳距角β決定[7]。葉尖速比λ是無量綱變量，表示風(fēng)輪葉尖的線速度與風(fēng)速的比值，將風(fēng)速V和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速w兩個變量綜合為一個變量進行分析

λ=(w×R)/V

(3)

據(jù)此，在特定風(fēng)速下，風(fēng)輪所受推力正比于風(fēng)輪推力系數(shù)，式(2)可以化簡為

FT=KfCT(λ，β)

(4)

1.2 靜態(tài)曲線

以2 MW某機型為例，基于Bladed軟件在切入風(fēng)速到切出風(fēng)速區(qū)間內(nèi)進行靜態(tài)曲線計算，如圖1所示。

圖1a為風(fēng)輪推力隨風(fēng)速變化的靜態(tài)曲線，可以看出，低風(fēng)速段隨著風(fēng)速的增加，風(fēng)輪推力逐漸變大；在額定風(fēng)速附近，機組受到的推力達到最大；額定風(fēng)速以上隨著風(fēng)速的增加，推力值反而變小。

靜態(tài)曲線仿真結(jié)果可以得到運行風(fēng)速區(qū)間內(nèi)槳距角(見圖1b)和葉尖速比(見圖1c)隨風(fēng)速的變化情況。

圖1 目標(biāo)風(fēng)電機組的靜態(tài)曲線

圖2為階梯仿真風(fēng)速及對應(yīng)葉尖凈空示意。由圖2可以看出，葉尖最小凈空隨著風(fēng)速的增加先變小后變大，在額定風(fēng)速附近達到最小。結(jié)合圖1a的靜態(tài)推力曲線，葉尖最小凈空與風(fēng)輪推力呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān)非線性關(guān)系，因此可將葉尖最小凈空LC0表示為

圖2 階梯仿真風(fēng)速及對應(yīng)葉尖凈空示意

Lc0=G(FT)

(5)

式中，G表示負(fù)相關(guān)。

將式(4)帶入式(5)，得到

Lc0=G(KfCT(λ，β))=KcGc(CT)

(6)

2 葉尖凈空影響因素分析

由上節(jié)可知，葉尖凈空最小值出現(xiàn)在風(fēng)輪所受最大推力時刻，而推力值與推力系數(shù)成正比，因此，增大葉尖凈空值的目標(biāo)就可以轉(zhuǎn)化為減小特定風(fēng)速下推力系數(shù)CT。由圖2可知最小凈空出現(xiàn)在額定風(fēng)速附近，因此，將運行區(qū)間分為低風(fēng)速(6 m/s)和高風(fēng)速(14 m/s)2種情況分別進行具體分析。

推力特性可用推力系數(shù)CT隨葉尖速比和槳距角變化的一簇曲線表示[8]，圖3、4為不同槳距角的CT曲線。

圖3 小風(fēng)下的推力系數(shù)曲線

2.1 低風(fēng)速(6 m/s)

由圖1風(fēng)電機組的靜態(tài)曲線可知，6 m/s風(fēng)速對應(yīng)的槳距角β=0，葉尖速比λ=11.62，對應(yīng)于圖3曲線的A點。

根據(jù)圖3曲線趨勢，減小A點對應(yīng)的CT可從2方面分析：減小葉尖速比λ，使A點CT沿β=0 rad曲線向B點移動。風(fēng)速一定時可降低當(dāng)前風(fēng)輪轉(zhuǎn)速實現(xiàn)；增大槳距角β，使CT-λ曲線下移，即A點CT沿AC方向移動。增大槳距角可通過變槳控制實現(xiàn)。

2.2 高風(fēng)速(14 m/s)

由圖1靜態(tài)曲線可知，14 m/s風(fēng)速對應(yīng)的槳距角β=0.22 rad，葉尖速比λ=5.98，對應(yīng)于圖4曲線的A點。

圖4 大風(fēng)下的推力系數(shù)曲線

與低風(fēng)速情況類似，也可以從2個方面來降低A點對應(yīng)的CT：增大葉尖速比λ，由于大風(fēng)時機組運行轉(zhuǎn)速已達到額定限值，無法增大風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，此方法無法實現(xiàn)；增大槳距角β，大風(fēng)時變槳控制系統(tǒng)在實時動作，此時可通過疊加一個額外槳距角來實現(xiàn)凈空控制。

3 策略控制算法實現(xiàn)

綜合上節(jié)凈空分析結(jié)果，本文設(shè)計了一種基于機組運行狀態(tài)的凈空監(jiān)測與控制系統(tǒng)。實時監(jiān)測機組運行過程中葉片凈空的變化情況，通過主控系統(tǒng)預(yù)防凈空距離劣化，并在檢測到危險凈空時啟用機組保護機制。

3.1 凈空監(jiān)測系統(tǒng)

本凈空控制算法基于一套高精度凈空監(jiān)測系統(tǒng)，在機艙位置處安裝高速攝像機，實時拍攝葉片穿越塔筒位置處圖像，經(jīng)過智能圖像識別技術(shù)，將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為實時的葉尖凈空距離Lc，傳輸?shù)街骺刂葡到y(tǒng)。

3.2 算法實現(xiàn)架構(gòu)

本凈空控制系統(tǒng)采用實時動態(tài)閾值方式，覆蓋整個機組運行范圍，保證機組在全風(fēng)速下不發(fā)生葉尖掃塔事故?？刂扑惴ǜ鶕?jù)當(dāng)前的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，計算出實時的凈空控制閾值Lt和凈空危險閾值Ltmin。凈空控制閾值Lt表示啟用凈空控制的下限值，凈空危險閾值Ltmin表示啟用安全保護條件的下限值，Ltmin

通過對比實測凈空值Lc和兩閾值的關(guān)系，進入相應(yīng)的控制流程，整體算法架構(gòu)如圖5所示。

圖5 凈空控制算法流程

實測凈空值Lc>Lt時，代表當(dāng)前運行凈空處于正常范圍，不需要啟用凈空控制。若LcLtmin時，表示當(dāng)前凈空值處于不正常范圍，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警，控制系統(tǒng)根據(jù)Lc和Lt的差值大小執(zhí)行相應(yīng)動作，增大葉尖的凈空距離。若實測凈空值Lc

3.3 凈空閾值確定

由上節(jié)可知，機組運行狀態(tài)可依照風(fēng)速劃分多個區(qū)間，每個區(qū)間設(shè)置不同的Lt和Ltmin。通過對大量運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得到每個風(fēng)速區(qū)間的最小凈空距離統(tǒng)計表1D-Lt(V)，如圖6所示。

圖6 不同風(fēng)速段的最小凈空距離

目前風(fēng)電機組風(fēng)速數(shù)據(jù)來源于風(fēng)輪后的風(fēng)速儀，測量值受到風(fēng)輪、葉片等擾流等影響，可靠性不高。實際控制系統(tǒng)中機艙風(fēng)速測量值一般不作為控制輸入量，本文設(shè)計了基于發(fā)電機轉(zhuǎn)速Wg和槳距角β的二維凈空閾值表：2D-Lt(Wg，β)。機組運行狀態(tài)根據(jù)不同的發(fā)電機轉(zhuǎn)速和槳距角組合，形成多個運行區(qū)域。圖7為數(shù)據(jù)統(tǒng)計的葉尖最小凈空在不同發(fā)電機轉(zhuǎn)速和槳距角區(qū)域內(nèi)的大小。

圖7 最小葉尖凈空2D閾值曲面

考慮機組的凈空安全裕量和設(shè)計極限，統(tǒng)計圖中最小凈空值乘以相應(yīng)的設(shè)計系數(shù)，即可得到凈空控制閾值表和凈空危險閾值表。根據(jù)機組的運行狀態(tài)和外部環(huán)境等數(shù)據(jù)，可將機組運行狀態(tài)進一步細(xì)化，形成多維的凈空閾值表。此部分內(nèi)容暫不在本文中展開討論。

4 控制仿真結(jié)果

由于無法通過軟件仿真的方式實時改變?nèi)~尖變形程度，本文采用程序模擬凈空超閾值的方式，在60～90 s時間段內(nèi)觸發(fā)超限故障，分別在6 m/s和14 m/s工況下，仿真了無凈空控制和啟用凈空控制的開環(huán)控制效果。

4.1 低風(fēng)速(6 m/s)仿真結(jié)果

圖8為在6 m/s風(fēng)速下開啟和關(guān)閉控制算法葉尖凈空對比。從圖8可以看出，開啟凈空控制算法與關(guān)閉凈空控制算法相比，最小葉尖凈空值從9.4 m增大到10.5 m，增大了11.7%；并且控制響應(yīng)時間很快，在超限觸發(fā)后，下一支葉片凈空值實現(xiàn)了顯著的增加。圖9為2種仿真的槳距角對比，可以看出，開啟凈空控制算法，在6 m/s風(fēng)速進行了一定角度收槳。

圖8 開啟和關(guān)閉控制算法葉尖凈空對比

圖9 小風(fēng)速凈空控制開啟與關(guān)閉槳距角對比

4.2 高風(fēng)速(14 m/s)仿真結(jié)果

圖10為14 m/s風(fēng)速下開啟和關(guān)閉控制算法葉尖凈空對比。從圖10可以看出，開啟凈空控制算法后最小葉尖凈空值從11.2 m增大到11.6 m，增大了3.57%，此時凈空值超閾值程度小，故調(diào)節(jié)動作量較?。豢刂祈憫?yīng)時間很快，在超限觸發(fā)后下一支葉片凈空值就實現(xiàn)了顯著的增加。圖11是2種仿真的槳距角對比圖，在轉(zhuǎn)速控制槳距角變化的基礎(chǔ)上，疊加了凈空控制的槳距角需求。

圖10 開啟和關(guān)閉控制算法葉尖凈空對比

圖11 大風(fēng)速凈空控制開啟與關(guān)閉的槳距角對比

5 結(jié) 論

本文以柔葉片風(fēng)電機組為研究對象，采用空氣動力學(xué)性能分析了葉尖速比和槳距角對推力系數(shù)的影響，提出了針對葉尖凈空的有效控制方式；基于葉尖凈空探測設(shè)備設(shè)計了一套凈空監(jiān)測與控制系統(tǒng)；根據(jù)仿真數(shù)據(jù)整合得到凈空控制閾值和凈空危險閾值。以某2 MW模型仿真了凈空控制算法的葉尖凈空距離控制效果，可得出以下結(jié)論：

(1)葉尖凈空距離隨風(fēng)速變化先減小后增大，最小凈空出現(xiàn)在額定風(fēng)速附近。

(2)葉尖凈空與風(fēng)輪所受推力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即改變風(fēng)輪推力可以實現(xiàn)葉尖凈空距離的調(diào)整。

(3)仿真結(jié)果表明凈空控制算法實現(xiàn)了葉尖最小凈空距離的調(diào)節(jié)，并且能夠快速響應(yīng)。

(4)凈空監(jiān)測與控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠有效避免葉片掃塔事故發(fā)生，具有重要的應(yīng)用推廣價值。