文 | 文茂詩，韓花麗，楊微
兆瓦級風電機組在緊急停機時，通常會采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的停機邏輯，但此邏輯將導致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊，在GL2010 規范的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常出現極限載荷，葉片越長該問題尤為突出。
本文采用海裝某2.0MW 機組模型，以GL2010 規范的DLC1.5 工況為例，用GH Bladed 軟件進行模擬仿真，對停機過程中的載荷進行分析，并提出了2 種優化的停機方案，通過仿真后與原載荷進行了對比。
數據分析
一、沖擊載荷
按GL2010 規范要求，DLC1.5 工況需要考慮風電機組從切入風速到切出風速范圍內，遭遇一年一遇的極端陣風(EOG1)，同時要求在陣風的開始時刻、陣風的最低風速時刻、陣風的最高風速時刻以及陣風加速度最大時發生電網掉電。通常2.0MW 機組在1.2 倍額定風速附近，并在陣風加速度最大或陣風風速最大時發生電網掉電最容易產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行分析。
如圖1、圖2、圖3 所示，為一DLC1.5 工況的仿真結果（橫軸為時間單位s，縱軸為風速m/s 或載荷）：在1.2倍的額定風速附近遭遇一年一遇的極端陣風，同時在陣風加速度最大（9s）時發生電網掉電。
由圖2、圖3 可見，葉根與塔底的載荷首先隨風速增加而增加；到第9s 時電網掉電，機組開始緊急停機；葉跟、塔底載荷到達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甚至比極大值還大。本文稱此極小值為沖擊載荷。
據仿真經驗，電網掉電后，若葉片的順槳速度越快或葉片越長，該沖擊載荷將會越大。
二、沖擊載荷產生的原因分析
（一）能量傳遞
由致動盤理論可以知道，正常發電過程中致動盤吸收風能使尾流速度降低，如圖4 所示，同時由動量定理可知，致動盤將尾流風速減小，因此致動盤將承受氣動推力；而緊急停機過程中則相反，致動盤將釋放出能量使風輪轉速降低，同時風獲得能量，使得尾流速度增加，此時致動盤使尾流的風速增加，因此致動盤將承受相反的推力。
容易知道，單位時間內致動盤所釋放的能量越多，風獲得的能量就越多，由動量定理致動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生在風輪減速速率最快的時刻。可以推測，沖擊載荷是由風輪釋放能量過快（主軸轉速下降過快）引起。若通過某種手段限制風輪的加速度范圍，將會改善葉跟和塔底的沖擊載荷。
（二）氣動特性
GH Bladed 是采用經典的葉素－動量理論并結合一定的修正方法進行氣動載荷計算的。從原理可知，風輪的氣動參數的Cp、Ct、Cm 主要與槳距角、葉尖速比有關。
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（正常風廓線模型），因此穩態計算中獲得的風輪氣動參數可以近似等于DLC1.5仿真中的氣動參數。
根據DLC1.5 仿真的風速、風輪轉速、槳距角結果就可以近似反查到機組運行過程中風輪的推力系數Ct，如圖6（紅色曲線為Ct 在等高線圖中的運行軌跡）、圖7（緊急停機過程中的Ct 曲線）。
可以看出，緊急停機過程中，由于變頻器斷開機組負載迅速減小，風輪轉速快速上升，導致葉尖速比增加，同時快速順槳，導致槳距角增加過快，這使得Ct 系數快速減小為零并繼續下降接近甚至超過正向的Ct 最大值，從而機組承受到很大的反向推力。
因此，發電機負載迅速降低為0、槳距角的過快增加是導致沖擊載荷過大的原因。
控制優化與載荷比較
當GL2010 規范中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、扭轉方向的沖擊載荷）大于設計極限時，傳統的做法是調節緊急停機時的順槳速度，來減小沖擊載荷。但當緊急停機的順槳速度變慢時，又會導致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時風輪轉速也會大幅上升帶來其他隱性問題。
因此簡單調節緊急停機中順槳速度的辦法，只能起到平衡正向載荷和負向載荷的作用，同時減小順槳速度會帶來更高極限風輪轉速，并沒有從根本上解決問題。
按前章節分析可知，要減小沖擊載荷理想的方式就是限制風輪轉速的下降速率（控制風輪釋放能量的速度）；或控制葉尖速比λ 和槳距角β 滿足圖6 一定的等高線關系。
據此，較為理想的控制方式是：在緊急停機的前幾秒時間，結合發電機的加速度信號，通過調節槳距角，進行閉環的風輪減速控制，維持風輪的減速度的速率在一定范圍以內（現國內大量的變槳系統已經可以實現，在緊急停機的前幾秒依然采用主控順槳指令的功能）；或限制風輪轉速，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計，因此本文以下兩種簡化方式進行仿真對比，以表明優化的控制效果。
一、控制尖速比λ
控制邏輯：緊急停機時使發電機轉矩維持2s。（該控制方法參照國外風電整機設計公司控制策略）。
原理：防止風輪轉速的迅速增加（控制最大葉尖速比λ），從而減小沖擊載荷。
仿真設置：在原始的仿真中，第9s 時加入剎車（剎車扭矩等于發電機額定扭矩，剎車扭矩在2s 內從額定扭矩線性下降到0）。
二、控制槳距角β
控制邏輯：在適當時刻減小順槳速度。
原理：在適當時刻減小順槳速度，即減小氣動剎車，防止風輪轉速的迅速下降。
仿真設置：在原始的仿真中，第10s 時加入變槳速度故障，故障值為2deg/s。
緊急停機剛開始需要快速順槳，以減小正向的載荷，而當順槳一定角度后須減小順槳速度以減小沖擊載荷。（此處以固定時間點加入慢速順槳為例，來說明優化效果。但實際應用還需要更為詳細的控制邏輯，如：結合發電機加速度來進行順槳速度的閉環控制。）
三、優化結果
經GH Bladed 仿真后結果如圖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，結合圖10 可以看出，尖速比控制方法由于發電機轉矩維持的作用，限制了風輪轉速（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輪轉速( 尖速比) 時，出現大槳距角的情況，即避免了快速的氣動剎車，從而減小了沖擊載荷（見表1）。
另通過對其他坐標系檢查這兩種方案都不會增加其他方向的載荷，并對葉片變槳方向扭矩、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
本文以海裝某2.0MW 風電機組為例，對GL2010 規范DLC1.5 工況緊急停機過程中葉根和塔底出現的沖擊載荷產生原因從致動盤理論的角度和葉素動量理論的角度進行了分析，并提出了控制風輪轉速和控制順槳速度兩種優化的方案。通過仿真對比以上方案可有效降低緊急停機過程中葉根、塔底的沖擊載荷。
（作者單位：國家海上風力發電工程技術研究中心）
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