基于主動偏航側(cè)風(fēng)控制的風(fēng)電機(jī)組防飛車方法研究*
文 | 李力森，王文鋒，王傳璽，李暉，蔡安民，張林偉，林偉榮
隨著風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行年限的增加，機(jī)組各部件容易出現(xiàn)老化、松動、磨損等現(xiàn)象，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)失效。當(dāng)來流風(fēng)速較高時(shí)，變槳系統(tǒng)無法及時(shí)控制葉片正常回槳，轉(zhuǎn)速無法及時(shí)降低，可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的超速飛車事故。飛車事故輕則造成機(jī)組葉片、變槳系統(tǒng)等大部件損壞，重則發(fā)生機(jī)組螺栓斷裂、主機(jī)架變形、發(fā)電機(jī)與齒輪箱損毀、葉片折斷及葉片掃塔，甚至引發(fā)火災(zāi)、機(jī)組倒塔乃至人身傷亡事故，因此，風(fēng)電機(jī)組超速飛車是風(fēng)電場必須嚴(yán)防死守的。
造成風(fēng)電機(jī)組飛車事故的原因眾多，其中，變槳系統(tǒng)故障是主要的原因之一。如某風(fēng)電場發(fā)生機(jī)組飛車倒塔事故時(shí)風(fēng)速超過15m/s，事發(fā)后經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)3支葉片均在0°位置未順槳1。針對風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的故障預(yù)警與控制優(yōu)化是常用的防飛車方案，當(dāng)前已經(jīng)開展了較多的相關(guān)研究工作。例如，文獻(xiàn)2基于SCADA運(yùn)行數(shù)據(jù)構(gòu)建支持向量回歸的變槳系統(tǒng)故障預(yù)警模型，提取變槳系統(tǒng)故障特征向量，實(shí)現(xiàn)變槳系統(tǒng)故障的提前預(yù)警；文獻(xiàn)3提出對現(xiàn)場機(jī)組的主軸制動器、變槳系統(tǒng)等進(jìn)行安全故障分析，重點(diǎn)排除安全隱患，防止安全事故發(fā)生。
基于故障診斷的方法對風(fēng)電機(jī)組變槳控制系統(tǒng)等部件進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)雖是行之有效的手段，但由于引發(fā)飛車事故原因的復(fù)雜性，該方法并不能徹底杜絕此類安全事故的發(fā)生。因此，本文提出一種基于風(fēng)電機(jī)組主動偏航側(cè)風(fēng)控制的防飛車方法，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速作為主控系統(tǒng)輸入信號，當(dāng)主控系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超限達(dá)到一定條件時(shí)，控制機(jī)組偏航至90°側(cè)風(fēng)位置，從而及時(shí)降低葉輪轉(zhuǎn)速；通過軟件仿真對所提方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并以機(jī)組在運(yùn)行過程中的轉(zhuǎn)速和載荷為指標(biāo)對方法進(jìn)行優(yōu)化。
主動偏航側(cè)風(fēng)的作用
風(fēng)電機(jī)組安全鏈由一系列重要的監(jiān)控繼電器開關(guān)節(jié)點(diǎn)串聯(lián)，包括手動觸發(fā)急停按鈕、扭纜偏航極限開關(guān)、機(jī)組超速模塊開關(guān)、機(jī)艙振動開關(guān)及主控內(nèi)部安全鏈開關(guān)等。在控制邏輯上，安全鏈系統(tǒng)的優(yōu)先級高于風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)，目的是確保風(fēng)電設(shè)備在出現(xiàn)故障時(shí)優(yōu)先保障安全。一旦觸發(fā)了安全鏈上某個(gè)節(jié)點(diǎn)的動作，將引起整條回路斷電，機(jī)組立刻緊急停機(jī)。如果故障節(jié)點(diǎn)得不到恢復(fù)，整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行操作都不能實(shí)現(xiàn)。因此，安全鏈?zhǔn)谴_保風(fēng)電機(jī)組安全的重要措施。以本文所研究的風(fēng)電機(jī)組事故——風(fēng)電機(jī)組超速飛車為例，當(dāng)機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，主軸超速模塊和發(fā)電機(jī)超速模塊的開關(guān)閉合，在風(fēng)電機(jī)組觸發(fā)設(shè)定的超速閾值NA后，超速模塊開關(guān)斷開，機(jī)組安全鏈斷開，機(jī)組將快速順槳緊急停機(jī)。但變槳系統(tǒng)故障可能導(dǎo)致機(jī)組無法及時(shí)順槳，機(jī)組轉(zhuǎn)速將進(jìn)一步上升。為防止發(fā)生飛車事故，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速觸發(fā)到預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，將啟動主動偏航側(cè)風(fēng)功能，使機(jī)艙旋轉(zhuǎn)并停止于與風(fēng)向夾角約為90°的位置，葉輪垂直來流風(fēng)速方向不再吸收風(fēng)能，從而有效降低風(fēng)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速。
主動偏航側(cè)風(fēng)是防止機(jī)組超速飛車的最后一道“防線”，在這種應(yīng)急控制策略中，一旦機(jī)組執(zhí)行了主動偏航側(cè)風(fēng)，需要本地手動執(zhí)行復(fù)位機(jī)組才能再次啟動運(yùn)行，最大程度地降低了超速飛車事故的風(fēng)險(xiǎn)。
主動偏航側(cè)風(fēng)控制方法
風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，風(fēng)況復(fù)雜多變，難以保證機(jī)艙方向與入流風(fēng)向?qū)崟r(shí)保持一致，因此，機(jī)艙方向與入流風(fēng)向之間通常存在對風(fēng)偏差。相關(guān)研究資料4顯示，僅4°的對風(fēng)偏差就會造成風(fēng)電機(jī)組輸出功率下降約1.13%。增大對風(fēng)偏差可以有效降低葉輪轉(zhuǎn)速，本文從主動偏航控制的角度出發(fā)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速過高且變槳系統(tǒng)失效不能控制葉片順槳時(shí)，令機(jī)組偏航系統(tǒng)主動偏轉(zhuǎn)側(cè)風(fēng)，實(shí)現(xiàn)降低風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制目標(biāo)。
一、主動偏航側(cè)風(fēng)控制邏輯設(shè)計(jì)
偏航控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組對風(fēng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，是水平軸風(fēng)電機(jī)組不可或缺的關(guān)鍵部件，其在控制風(fēng)電機(jī)組以更高的效率將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的過程中，起到了至關(guān)重要的作用。
機(jī)組正常發(fā)電時(shí)的偏航控制策略如圖2所示。以當(dāng)前風(fēng)向與測得機(jī)艙位置為輸入信號，將二者的差值作為對風(fēng)偏差，經(jīng)低通濾波器送入主控PLC中，PLC根據(jù)主控邏輯，判斷對風(fēng)偏差是否滿足啟動條件，若滿足則偏航啟動，執(zhí)行偏航動作直到滿足要求。
在此基礎(chǔ)上，為偏航控制系統(tǒng)增加主動偏航側(cè)風(fēng)功能。
主動偏航控制工作原理如圖3所示，主要包括：
（1）增加一套轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主控系統(tǒng)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的冗余監(jiān)測，可防止主控系統(tǒng)誤判。
（2）當(dāng)主控監(jiān)測到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過2300rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）且持續(xù)3s時(shí)，觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)控制。
（3）主動偏航控制器向偏航電機(jī)下發(fā)指令，控制機(jī)艙以順時(shí)針方向偏轉(zhuǎn)。
（4）當(dāng)主控監(jiān)測到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至500rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）以下，或偏航持續(xù)時(shí)間達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值時(shí)，新增繼電器失電，偏航停止。
（5）原系統(tǒng)中如安全鏈斷開偏航系統(tǒng)將失去供電不能再啟動，將偏航系統(tǒng)的供電線從安全鏈的繼電器上拆掉后直接短接，使得偏航控制不再受安全鏈斷開的影響，當(dāng)機(jī)組超速到NA時(shí)，安全鏈將斷開，如此時(shí)仍不能停機(jī)繼續(xù)超速，則觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)功能。由于硬件安全鏈斷開后不可自動復(fù)位，因此，側(cè)風(fēng)偏航動作后必須復(fù)位硬件安全鏈才能啟機(jī)。
二、主動偏航側(cè)風(fēng)工況模擬仿真
本文基于某1.5MW風(fēng)電機(jī)組模型，以實(shí)物PLC作為主動偏航控制的控制器，通過設(shè)置卡槳模擬變槳系統(tǒng)故障，對主動偏航控制工況進(jìn)行模擬仿真。
主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略與機(jī)組原有的偏航控制相互獨(dú)立，而主動偏航側(cè)風(fēng)具有更高的優(yōu)先級，即當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速超過設(shè)定條件時(shí)，立刻切換到主動偏航側(cè)風(fēng)，及時(shí)防止機(jī)組超速飛車事故的發(fā)生。
風(fēng)電機(jī)組在正常發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)在額定功率以下時(shí)以轉(zhuǎn)矩控制為主，當(dāng)發(fā)電功率接近額定值時(shí)啟動變槳，控制機(jī)組葉片順槳，使功率穩(wěn)定在額定功率附近，如圖4所示。在風(fēng)速逐漸升高的過程中，如果變槳系統(tǒng)因故障不能順槳，隨著風(fēng)速的增加機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會進(jìn)一步升高并超過額定值，將產(chǎn)生飛車風(fēng)險(xiǎn)。
圖4中，設(shè)置初始風(fēng)速為8m/s，在開始仿真20s后風(fēng)速逐漸增大至13m/s。風(fēng)速變化過程中，限制槳距角為0°模擬卡槳故障，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在超越額定值1800rpm后不斷升高，出現(xiàn)超速現(xiàn)象。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過2300rpm時(shí)，啟動主動偏航側(cè)風(fēng)控制，令機(jī)組沿順時(shí)針方向偏航從而回避入流風(fēng)向，直至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降至500rpm以下或偏航執(zhí)行90°以后停止，該過程如圖5所示。
根據(jù)仿真結(jié)果可知，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速過高觸發(fā)主動偏航側(cè)風(fēng)功能后，葉輪轉(zhuǎn)速會在繼續(xù)升高到接近2500rpm后開始降低，經(jīng)過約200s后，葉輪轉(zhuǎn)速可以降低到500rpm左右。因此，以側(cè)風(fēng)為目的主動偏航控制能夠?qū)崿F(xiàn)在轉(zhuǎn)速過高時(shí)快速降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速至安全范圍內(nèi)，可有效防止風(fēng)電機(jī)組超速飛車事故的發(fā)生。
主動偏航側(cè)風(fēng)策略優(yōu)化
風(fēng)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，或多或少都會存在對風(fēng)偏差，對風(fēng)偏差對機(jī)組發(fā)電功率和載荷均會產(chǎn)生影響。當(dāng)機(jī)組需要主動偏航側(cè)風(fēng)時(shí)，需基于當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)的對風(fēng)偏差，確定最優(yōu)的偏航方向，以達(dá)到快速降低葉輪轉(zhuǎn)速，并使偏航過程中載荷沖擊較小。因此，本節(jié)主要探討不同偏航方向?qū)C(jī)組的功率、轉(zhuǎn)速及載荷的影響。
一、偏航方向?qū)C(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的影響
規(guī)定機(jī)組朝向正北方時(shí)為0°、正東為90°、正西為-90°，由北向東為正偏（順時(shí)針方向），由北向西則為反偏（逆時(shí)針方向），如圖6所示。
首先，設(shè)置入流風(fēng)向與機(jī)艙方向夾角θ為＋8°，機(jī)艙初始方位朝向正北；限制變槳角度保持0°模擬卡槳故障，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2300rpm。機(jī)組啟動主動偏航側(cè)風(fēng)，分別使機(jī)艙沿正反方向旋轉(zhuǎn)至與入流風(fēng)向夾角為90°的方位。仿真得到的機(jī)組功率變化與轉(zhuǎn)速變化如圖7所示。
根據(jù)圖7，在存在+8°對風(fēng)偏差的情況下，機(jī)組反偏時(shí)功率與轉(zhuǎn)速下降更快。若入流風(fēng)向保持不變，則機(jī)組反偏82°時(shí)已實(shí)現(xiàn)機(jī)艙與入流風(fēng)向偏差90°，且從圖中可以明顯看出，反偏時(shí)機(jī)組更早實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速小于500rpm的目標(biāo)；而正偏時(shí)，機(jī)組偏航反而會先實(shí)現(xiàn)正對入流風(fēng)，這就導(dǎo)致轉(zhuǎn)速與功率在最初的50s不降反升。實(shí)際情況下，機(jī)組啟動主動偏航側(cè)風(fēng)說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速已經(jīng)超速，若因執(zhí)行主動偏航導(dǎo)致轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，會大大增加飛車事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，反而得不償失。因此，由圖7可以得出初步結(jié)論，在機(jī)組偏航過程中，不同的偏航方向?qū)C(jī)組的動態(tài)運(yùn)行過程有著不同的影響。
二、偏航方向?qū)C(jī)組載荷的影響
對以上定義的各工況進(jìn)行載荷仿真，得出葉根載荷及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，具體結(jié)果見圖8—10。
根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)對風(fēng)偏差為正值時(shí)，機(jī)組反偏相對正偏受到的載荷沖擊小，反之亦然，這一點(diǎn)與上一節(jié)中對功率與轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)論一致。在存在對風(fēng)偏差的情況下，當(dāng)主動偏航側(cè)風(fēng)啟動時(shí)，若風(fēng)電機(jī)組主動偏航的方向與對風(fēng)偏差方向相反，能夠使機(jī)組的功率與轉(zhuǎn)速更加快速地降至目標(biāo)水平，同時(shí)機(jī)組的氣動載荷與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩也有更明顯的下降趨勢。
為了進(jìn)一步量化載荷差異，分別計(jì)算各組工況下的載荷均值，計(jì)算結(jié)果見表1。
從表中數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組需要執(zhí)行主動偏航側(cè)風(fēng)時(shí)，采用的偏航方向策略，對載荷有非常大的影響。若初始對風(fēng)偏差角度為正，機(jī)組沿正偏方向主動偏航側(cè)風(fēng)，整個(gè)過程中不僅轉(zhuǎn)速的下降相對緩慢，對應(yīng)的葉片載荷和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩也較大，載荷相差甚至在50%以上，反之亦然。
三、主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略優(yōu)化
主動偏航側(cè)風(fēng)功能的目標(biāo)是使機(jī)組旋轉(zhuǎn)到對風(fēng)偏差為90°的位置，但由于初始對風(fēng)偏差的存在，采用順時(shí)針偏航或逆時(shí)針偏航，將會導(dǎo)致偏航動作運(yùn)行的角度和持續(xù)時(shí)間不同，因此，原策略中執(zhí)行的單一偏航方向有待優(yōu)化。此外，原策略中將偏航持續(xù)時(shí)間或偏航旋轉(zhuǎn)角度作為主動偏航側(cè)風(fēng)動作停止的判斷條件，精準(zhǔn)度不夠，也有待優(yōu)化。
基于上述分析，對風(fēng)電機(jī)組主動偏航控制策略作出如下優(yōu)化：
（1）將測風(fēng)裝置與機(jī)艙位置傳感器的反饋信號同時(shí)引入主控的偏航側(cè)風(fēng)控制邏輯，計(jì)算當(dāng)前的對風(fēng)偏差角度。
（2）當(dāng)系統(tǒng)檢測到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高于2300rpm（根據(jù)需要可設(shè)置不同閾值）且持續(xù)3s時(shí)，將啟動主動偏航側(cè)風(fēng)功能。
（3）判斷當(dāng)前對風(fēng)偏差角度：若為正值，偏航控制系統(tǒng)反偏標(biāo)志位為真，機(jī)艙沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)偏航；若為負(fù)值，偏航控制系統(tǒng)正偏標(biāo)志位為真，機(jī)艙沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)偏航。
（4）當(dāng)對風(fēng)偏差達(dá)到90°或發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降到500rpm以下，主動偏航側(cè)風(fēng)功能停止。
優(yōu)化后的主動偏航控制策略原理如圖11所示。優(yōu)化后的主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略，綜合考慮了運(yùn)行過程中快速降低葉輪轉(zhuǎn)速、載荷沖擊小等因素，優(yōu)化了偏航方向的選擇和偏航停止的判斷條件。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉(zhuǎn)速，整個(gè)偏航過程中機(jī)組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機(jī)組到達(dá)90°側(cè)風(fēng)的目標(biāo)位置。
結(jié)論
本文針對現(xiàn)役風(fēng)電機(jī)組中存在的超速飛車事故風(fēng)險(xiǎn)，提出了主動偏航側(cè)風(fēng)控制的機(jī)組防飛車方法，并通過運(yùn)行仿真證實(shí)了該方法的有效性。基于仿真結(jié)果，并以葉輪轉(zhuǎn)速快速降低、載荷沖擊小為目標(biāo)，提出了優(yōu)化的主動偏航側(cè)風(fēng)控制策略，新策略中引入了對風(fēng)偏差角度變量作為偏航動作方向和偏航動作停止的判斷條件，優(yōu)化了控制邏輯。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉(zhuǎn)速，整個(gè)偏航過程中機(jī)組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機(jī)組到達(dá)90°側(cè)風(fēng)的目標(biāo)位置，達(dá)到避免機(jī)組飛車的目的。
（作者單位：李力森，王傳璽，蔡安民，張林偉，林偉榮：中國華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司；王文鋒，李暉：華能新能源股份有限公司山東分公司）
注釋：
* 中國華能集團(tuán)有限公司總部科技項(xiàng)目（HNKJ21-HF163）
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