文 | 文茂詩，韓花麗，楊微
兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組在緊急停機(jī)時(shí)，通常會(huì)采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的停機(jī)邏輯，但此邏輯將導(dǎo)致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊，在GL2010 規(guī)范的DLC1.5、DLC1.6 工況中葉根揮舞方向彎矩、塔底前后方向彎矩就經(jīng)常出現(xiàn)極限載荷，葉片越長該問題尤為突出。
本文采用海裝某2.0MW 機(jī)組模型，以GL2010 規(guī)范的DLC1.5 工況為例，用GH Bladed 軟件進(jìn)行模擬仿真，對(duì)停機(jī)過程中的載荷進(jìn)行分析，并提出了2 種優(yōu)化的停機(jī)方案，通過仿真后與原載荷進(jìn)行了對(duì)比。
數(shù)據(jù)分析
一、沖擊載荷
按GL2010 規(guī)范要求，DLC1.5 工況需要考慮風(fēng)電機(jī)組從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速范圍內(nèi)，遭遇一年一遇的極端陣風(fēng)(EOG1)，同時(shí)要求在陣風(fēng)的開始時(shí)刻、陣風(fēng)的最低風(fēng)速時(shí)刻、陣風(fēng)的最高風(fēng)速時(shí)刻以及陣風(fēng)加速度最大時(shí)發(fā)生電網(wǎng)掉電。通常2.0MW 機(jī)組在1.2 倍額定風(fēng)速附近，并在陣風(fēng)加速度最大或陣風(fēng)風(fēng)速最大時(shí)發(fā)生電網(wǎng)掉電最容易產(chǎn)生葉片揮舞彎矩和塔底傾覆彎矩的極值，因此本文以該工況進(jìn)行分析。
如圖1、圖2、圖3 所示，為一DLC1.5 工況的仿真結(jié)果（橫軸為時(shí)間單位s，縱軸為風(fēng)速m/s 或載荷）：在1.2倍的額定風(fēng)速附近遭遇一年一遇的極端陣風(fēng)，同時(shí)在陣風(fēng)加速度最大（9s）時(shí)發(fā)生電網(wǎng)掉電。
由圖2、圖3 可見，葉根與塔底的載荷首先隨風(fēng)速增加而增加；到第9s 時(shí)電網(wǎng)掉電，機(jī)組開始緊急停機(jī)；葉跟、塔底載荷到達(dá)極大值然后迅速下降為0，并反向增至極小值。
塔底傾覆彎矩或葉片揮舞彎矩極小值有時(shí)甚至比極大值還大。本文稱此極小值為沖擊載荷。
據(jù)仿真經(jīng)驗(yàn)，電網(wǎng)掉電后，若葉片的順槳速度越快或葉片越長，該沖擊載荷將會(huì)越大。
二、沖擊載荷產(chǎn)生的原因分析
（一）能量傳遞
由致動(dòng)盤理論可以知道，正常發(fā)電過程中致動(dòng)盤吸收風(fēng)能使尾流速度降低，如圖4 所示，同時(shí)由動(dòng)量定理可知，致動(dòng)盤將尾流風(fēng)速減小，因此致動(dòng)盤將承受氣動(dòng)推力；而緊急停機(jī)過程中則相反，致動(dòng)盤將釋放出能量使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低，同時(shí)風(fēng)獲得能量，使得尾流速度增加，此時(shí)致動(dòng)盤使尾流的風(fēng)速增加，因此致動(dòng)盤將承受相反的推力。
容易知道，單位時(shí)間內(nèi)致動(dòng)盤所釋放的能量越多，風(fēng)獲得的能量就越多，由動(dòng)量定理致動(dòng)盤所受向前的推力也越大。如圖5 所示為歸一化處理后的塔底傾覆彎矩與風(fēng)輪加速度的曲線。
可以明顯的看出塔底傾覆彎矩的最小值發(fā)生在風(fēng)輪減速速率最快的時(shí)刻。可以推測(cè)，沖擊載荷是由風(fēng)輪釋放能量過快（主軸轉(zhuǎn)速下降過快）引起。若通過某種手段限制風(fēng)輪的加速度范圍，將會(huì)改善葉跟和塔底的沖擊載荷。
（二）氣動(dòng)特性
GH Bladed 是采用經(jīng)典的葉素－動(dòng)量理論并結(jié)合一定的修正方法進(jìn)行氣動(dòng)載荷計(jì)算的。從原理可知，風(fēng)輪的氣動(dòng)參數(shù)的Cp、Ct、Cm 主要與槳距角、葉尖速比有關(guān)。
而通過GH Bladed中Performance Coefficients 功能，可以得到不同槳距角下的Cp、Ct、Cm 與λ 的曲線。可將其繪制成等高線圖，如圖6。
由于DLC1.5 工況是采用NWP（正常風(fēng)廓線模型），因此穩(wěn)態(tài)計(jì)算中獲得的風(fēng)輪氣動(dòng)參數(shù)可以近似等于DLC1.5仿真中的氣動(dòng)參數(shù)。
根據(jù)DLC1.5 仿真的風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角結(jié)果就可以近似反查到機(jī)組運(yùn)行過程中風(fēng)輪的推力系數(shù)Ct，如圖6（紅色曲線為Ct 在等高線圖中的運(yùn)行軌跡）、圖7（緊急停機(jī)過程中的Ct 曲線）。
可以看出，緊急停機(jī)過程中，由于變頻器斷開機(jī)組負(fù)載迅速減小，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速快速上升，導(dǎo)致葉尖速比增加，同時(shí)快速順槳，導(dǎo)致槳距角增加過快，這使得Ct 系數(shù)快速減小為零并繼續(xù)下降接近甚至超過正向的Ct 最大值，從而機(jī)組承受到很大的反向推力。
因此，發(fā)電機(jī)負(fù)載迅速降低為0、槳距角的過快增加是導(dǎo)致沖擊載荷過大的原因。
控制優(yōu)化與載荷比較
當(dāng)GL2010 規(guī)范中DLC1.5 工況，塔筒傾覆彎矩、葉片揮舞彎矩的沖擊載荷（或葉片擺振、扭轉(zhuǎn)方向的沖擊載荷）大于設(shè)計(jì)極限時(shí)，傳統(tǒng)的做法是調(diào)節(jié)緊急停機(jī)時(shí)的順槳速度，來減小沖擊載荷。但當(dāng)緊急停機(jī)的順槳速度變慢時(shí)，又會(huì)導(dǎo)致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也會(huì)大幅上升帶來其他隱性問題。
因此簡單調(diào)節(jié)緊急停機(jī)中順槳速度的辦法，只能起到平衡正向載荷和負(fù)向載荷的作用，同時(shí)減小順槳速度會(huì)帶來更高極限風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，并沒有從根本上解決問題。
按前章節(jié)分析可知，要減小沖擊載荷理想的方式就是限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的下降速率（控制風(fēng)輪釋放能量的速度）；或控制葉尖速比λ 和槳距角β 滿足圖6 一定的等高線關(guān)系。
據(jù)此，較為理想的控制方式是：在緊急停機(jī)的前幾秒時(shí)間，結(jié)合發(fā)電機(jī)的加速度信號(hào)，通過調(diào)節(jié)槳距角，進(jìn)行閉環(huán)的風(fēng)輪減速控制，維持風(fēng)輪的減速度的速率在一定范圍以內(nèi)（現(xiàn)國內(nèi)大量的變槳系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，在緊急停機(jī)的前幾秒依然采用主控順槳指令的功能）；或限制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，減小最大葉尖速比，以減小沖擊載荷。
但由于本文的目的不在于控制器設(shè)計(jì)，因此本文以下兩種簡化方式進(jìn)行仿真對(duì)比，以表明優(yōu)化的控制效果。
一、控制尖速比λ
控制邏輯：緊急停機(jī)時(shí)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩維持2s。（該控制方法參照國外風(fēng)電整機(jī)設(shè)計(jì)公司控制策略）。
原理：防止風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的迅速增加（控制最大葉尖速比λ），從而減小沖擊載荷。
仿真設(shè)置：在原始的仿真中，第9s 時(shí)加入剎車（剎車扭矩等于發(fā)電機(jī)額定扭矩，剎車扭矩在2s 內(nèi)從額定扭矩線性下降到0）。
二、控制槳距角β
控制邏輯：在適當(dāng)時(shí)刻減小順槳速度。
原理：在適當(dāng)時(shí)刻減小順槳速度，即減小氣動(dòng)剎車，防止風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的迅速下降。
仿真設(shè)置：在原始的仿真中，第10s 時(shí)加入變槳速度故障，故障值為2deg/s。
緊急停機(jī)剛開始需要快速順槳，以減小正向的載荷，而當(dāng)順槳一定角度后須減小順槳速度以減小沖擊載荷。（此處以固定時(shí)間點(diǎn)加入慢速順槳為例，來說明優(yōu)化效果。但實(shí)際應(yīng)用還需要更為詳細(xì)的控制邏輯，如：結(jié)合發(fā)電機(jī)加速度來進(jìn)行順槳速度的閉環(huán)控制。）
三、優(yōu)化結(jié)果
經(jīng)GH Bladed 仿真后結(jié)果如圖8、圖9、圖10。黑色為原DLC1.5 工況、綠色為λ 控制、紅色為β 控制。
從圖8、9 可以看出，通過控制尖速比λ 與控制槳距角β 的方法都可以降低沖擊載荷，結(jié)合圖10 可以看出，尖速比控制方法由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩維持的作用，限制了風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（尖速比）的迅速增加，從而減小了沖擊載荷；而槳距角控制的方法則是避免了在高風(fēng)輪轉(zhuǎn)速( 尖速比) 時(shí)，出現(xiàn)大槳距角的情況，即避免了快速的氣動(dòng)剎車，從而減小了沖擊載荷（見表1）。
另通過對(duì)其他坐標(biāo)系檢查這兩種方案都不會(huì)增加其他方向的載荷，并對(duì)葉片變槳方向扭矩、擺振方向彎矩也有較為明顯的降低（原理同葉片揮舞方向）。
小結(jié)
本文以海裝某2.0MW 風(fēng)電機(jī)組為例，對(duì)GL2010 規(guī)范DLC1.5 工況緊急停機(jī)過程中葉根和塔底出現(xiàn)的沖擊載荷產(chǎn)生原因從致動(dòng)盤理論的角度和葉素動(dòng)量理論的角度進(jìn)行了分析，并提出了控制風(fēng)輪轉(zhuǎn)速和控制順槳速度兩種優(yōu)化的方案。通過仿真對(duì)比以上方案可有效降低緊急停機(jī)過程中葉根、塔底的沖擊載荷。
（作者單位：國家海上風(fēng)力發(fā)電工程技術(shù)研究中心）
