一種風力發(fā)電機組主動凈空控制策略研究

楊 翀 王瑞良 孫 勇 王 琳 聶方正

（1.浙江運達風電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310012）

0 引言

我國國家領(lǐng)導人做出了“中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”的國際承諾，驅(qū)使著能源電力生產(chǎn)向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。而風電作為綠色可持續(xù)能源，可大量減少碳排放，因此促進風電消納是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要舉措[1]。風資源開發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向低風速、高湍流的風資源區(qū)，此類風場大都是山地復雜地形，極端陣風風況較多。陣風特點是風速與風向在短時間內(nèi)均發(fā)生較大變化，易出現(xiàn)極端湍流和極端風剪切疊加的情況，此時風力發(fā)電機面臨凈空不足的情況，行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)多次掃塔事故。

為了解決風力發(fā)電機組存在的凈空不足問題，行業(yè)內(nèi)對此進行了深入研究，各種監(jiān)測和控制技術(shù)應運而生[2]。郭俊凱等人[3]通過探究風速、槳距角、功率對風力機葉片—塔架凈空的影響，分析了葉片—塔架最小凈空工況下葉片的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應。B.P.Williams等人[4]提出在塔筒上安裝葉尖距離監(jiān)測裝置，在一定的有效監(jiān)測距離內(nèi)，對凈空不足的情況做出響應。M.M.Zhang等人[5]通過新增可變后緣襟翼作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)，采用智能控制策略，使得葉根面外彎矩和葉尖變形量下降30%。L.Zhang等人[6]通過加裝毫米波雷達，實時監(jiān)測葉片到塔架間的最小距離，并引入前饋控制，使得葉片到塔架的最小凈空值從5.65 m提升到7.43 m。

本文針對凈空不足問題，提出了一種通過激光凈空監(jiān)測雷達實現(xiàn)葉片—塔架凈空的實時監(jiān)測，在凈空不足時適當增加槳距角的策略，并選用實際機組進行了仿真驗證。

1 主動凈空控制策略設(shè)計

1.1 極端相干陣風

陣風在山地復雜地形容易出現(xiàn)，它的特點是在短時間內(nèi)風速與風向發(fā)生大幅變化。根據(jù)IEC 61400-1標準[7]載荷計算的定義，極端湍流模型，方向變化的極端相干陣風的幅值為Vcg=15 m/s，風速變化上升時間為T=10 s，實時風速計算公式為：

風速的上升與風向從0到θcg的變化是同步進行的，風向變化量為：

則同步的實時風向為：

圖1為陣風的風速、風向變化示意圖，可以看出在短時間內(nèi)風速與風向都發(fā)生了驟變，這對風機的載荷和凈空都會產(chǎn)生很大的影響。

圖1 陣風風速、風向變化示意圖

1.2 極端風剪切工況

根據(jù)IEC 61400-1標準載荷計算的定義，極端風切變EWS工況，瞬時（正向或逆向）垂直切變表示為：

瞬時水平切變表示為：

在EWS工況中的強負向風剪切作用下，風力發(fā)電機組葉片在接近塔架時，容易產(chǎn)生凈空不足的情況。若EWS和ECD工況發(fā)生疊加，葉片掃塔事故發(fā)生的概率會進一步增加。

2 主動凈空控制策略的實現(xiàn)

2.1 綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)

本文提出了一種激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)和機載式激光測風雷達相結(jié)合的綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)及配套的主動凈空控制策略，圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)可以部署于合適的位置，以實現(xiàn)對塔架—葉片凈空的實時監(jiān)測。當葉片旋轉(zhuǎn)至可探測位置，凈空監(jiān)測系統(tǒng)的激光束可以迅速采集到葉尖測點到凈空監(jiān)測系統(tǒng)的距離，經(jīng)過坐標變換，換算出塔架凈空值；機載式激光測風雷達安裝于機艙上方，可以實時測量來流方向的風剪切和風速變化率。上述兩個設(shè)備的信號實時輸入風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)。

圖2 風力發(fā)電機組綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

2.2 主動凈空控制策略架構(gòu)

本凈空控制策略采用激光雷達凈空監(jiān)測系統(tǒng)的實時測量原始值作為輸入，在主控系統(tǒng)內(nèi)部進行坐標變換等處理，算出葉尖到塔架的實時最小凈空值；機載式激光測風雷達實時監(jiān)測上風向的豎直風剪切和風速變化率。當換算出的實時最小凈空值小于凈空閾值時，或豎直風剪切小于風剪切閾值，或風速變化率大于指定閾值，則觸發(fā)主動凈空控制。主動凈空控制觸發(fā)后，會在原有槳距角指令上疊加預設(shè)的補償值，削減風輪面推力，提升塔架凈空。在經(jīng)歷延遲時間后，槳距角補償值以斜坡速率退出。主動凈空控制流程框圖如圖3所示。

圖3 主動凈空控制流程框圖

3 仿真評估

采用風力發(fā)電機組仿真軟件Bladed對該策略進行仿真驗證，仿真模型為某3.3 MW雙饋機組，風輪直徑164 m，額定轉(zhuǎn)速1750 r/min，在IEC規(guī)范工況設(shè)置下，風力發(fā)電機組凈空最小工況往往出現(xiàn)在DLC1.3（ETM風況）與DLC1.5（EWS工況）。因此，對DLC1.3（ETM風況）與DLC1.5（EWS工況）開展仿真驗證，比較主動凈空控制策略的應用效果，從機組的槳距角、凈空值等運行參數(shù)著手進行對比研究。

3.1 ETM風況仿真驗證

本文給出某DLC1.3（ETM風況）下的仿真結(jié)果，驗證了主動凈空控制策略的有效性。結(jié)合圖4說明開啟主動凈空控制以后的效果：圖4（a）展示了工況中的風速條件，平均風速12 m/s，縱向湍流強度為22%；圖4（b）展示了主動凈空控制疊加的槳距角；圖4（c）展示了主動凈空控制開啟與否的槳距角時序；圖4（d）展示了塔架最小凈空值的時序。在本次仿真時序的88 s附近，主動凈空控制觸發(fā)，槳距角進行了及時補償，提升了機組在93～103 s風速極速上升時的凈空值。

圖4 ETM風況仿真驗證結(jié)果

3.2 EWS風況仿真驗證

在DLC1.5（EWS風況）下，會出現(xiàn)下風輪面風速顯著高于上風輪面風速的情況，即強負剪切工況，在此種工況下，葉尖發(fā)生掃塔的可能性會大幅度提升。結(jié)合圖5說明開啟主動凈空控制以后的效果：圖5（a）展示了輪轂高度、上風輪面和下風輪面的風速情況；圖5（b）展示了主動凈空控制開啟與否的槳距角時序；圖5（c）展示了塔架最小凈空值的時序。

圖5 EWS風況仿真驗證結(jié)果

傳統(tǒng)變速變槳控制策略無法對負剪切做出直接響應，而應用了主動凈空控制策略以后，塔架最小凈空值提升1 m。

4 現(xiàn)場評估

本項技術(shù)已經(jīng)進行批量應用，且能實際捕捉到凈空不足并進行補償。圖6展示了某復雜場址條件項目的應用案例，圖6（a）展示了發(fā)電機轉(zhuǎn)速，圖6（b）展示了實測塔架凈空值和觸發(fā)閾值的時序，圖6（c）展示了主動凈空控制疊加的槳距角值。

從圖6可以看出，在現(xiàn)場復雜風況條件下，發(fā)電機轉(zhuǎn)速開始驟增，實測塔架凈空值下降到觸發(fā)閾值以下，主動凈空控制策略立即進行槳距角補償，塔架凈空值快速恢復到安全水平。

圖6 實際應用案例驗證結(jié)果

5 結(jié)論

（1）本文針對復雜場址下風電機組的凈空隱患和傳統(tǒng)變速變槳控制策略的局限性，提出了一種綜合性凈空監(jiān)測系統(tǒng)和配套的主動凈空控制策略。

（2）根據(jù)Bladed仿真驗證和現(xiàn)場實際驗證，本控制策略可以在風力發(fā)電機的設(shè)計中提升塔架凈空值，有利于整機優(yōu)化設(shè)計；也可以在實際復雜風況下通過槳距角補償，提升機組安全性，降低掃塔風險。