兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組緊急停機(jī)過(guò)程載荷分析及優(yōu)化

　　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(zhǎng)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GHBladed軟件進(jìn)行模擬仿真，對(duì)停機(jī)過(guò)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(guò)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(zhǎng)，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(guò)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(guò)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(guò)快（主軸轉(zhuǎn)速下降過(guò)快）引起。若通過(guò)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。