申新賀,葉杭冶,潘東浩,張秀芝,方郁鋒
(1.風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司,杭州 310012;2.國家氣候中心,北京 100081)
經(jīng)過一年的低谷期后,市場(chǎng)對(duì)海上風(fēng)電的熱情被重新點(diǎn)燃。2013年初,國家發(fā)展和改革委員會(huì)頒布了2013版的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》,“海上風(fēng)電機(jī)組技術(shù)開發(fā)與設(shè)備制造”和“海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)與設(shè)備制造”進(jìn)入鼓勵(lì)發(fā)展的產(chǎn)品目錄;隨后,國家能源局召開了海上風(fēng)電發(fā)展座談會(huì),提出要加快推進(jìn)我國海上風(fēng)電開發(fā)。
但中國近海海域臺(tái)風(fēng)的肆虐成為海上風(fēng)電開發(fā)的重要制約因素。我國沿海擁有豐富的風(fēng)力資源,但缺乏應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境的風(fēng)電設(shè)計(jì)技術(shù),這方面的研究更是欠缺。為更好開發(fā)利用我國近海區(qū)域的風(fēng)能資源,臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性技術(shù)成為我國海上風(fēng)力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。
國際上開展風(fēng)電抗臺(tái)風(fēng)技術(shù)研究的主要有日本、東南亞、中國以及中國臺(tái)灣等臺(tái)風(fēng)盛行的國家和地區(qū)。在日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機(jī)構(gòu)(NEDO)支持下,2004年日本就開始了為期3年的風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究[1~3],根據(jù)研究成果制定了指導(dǎo)日本風(fēng)電發(fā)展的技術(shù)指南[4],內(nèi)容涵蓋了載荷測(cè)試、極端風(fēng)圖譜、極端風(fēng)速數(shù)據(jù)庫以及風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址評(píng)估和機(jī)組選型指南等內(nèi)容。該研究的著重點(diǎn)仍在于極端風(fēng)速的計(jì)算和場(chǎng)址評(píng)估上,對(duì)風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)研究不夠深入。2005年,在歐盟的支持下,丹麥國家能源實(shí)驗(yàn)室和菲律賓、越南等東盟國家開展了名為“EU-ASEAN wind project”的研究項(xiàng)目[5],研究在上述國家臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū)開發(fā)風(fēng)電的技術(shù)可能性和對(duì)策。該項(xiàng)目通過對(duì)菲律賓全國極限風(fēng)速的調(diào)查分析,初步研究了臺(tái)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)要求,對(duì)安全系數(shù)的提高導(dǎo)致的機(jī)組成本增加做了初步分析。該項(xiàng)目提出了如下結(jié)論:a.在保證電力供應(yīng)的情況下,風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)能夠跟上臺(tái)風(fēng)風(fēng)向的變化;b.要保持與IEC 61400-1一致的安全性要求,將導(dǎo)致機(jī)組成本增加20%~30%;c.為了經(jīng)濟(jì)性更好,風(fēng)電機(jī)組在罕見的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中被破壞可以被接受。美國船級(jí)社在美國內(nèi)政部的支持下研究了颶風(fēng)環(huán)境下的海上風(fēng)電場(chǎng)和海上風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)。根據(jù)報(bào)告[6,7],應(yīng)用在颶風(fēng)地區(qū)的海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷計(jì)算風(fēng)模型推薦采用API(美國石油協(xié)會(huì))標(biāo)準(zhǔn)模型。
上述項(xiàng)目對(duì)臺(tái)風(fēng)破壞機(jī)理的研究吸收了海洋工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、建筑行業(yè)規(guī)范等,側(cè)重于臺(tái)風(fēng)的極端風(fēng)速。但來自其他行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)不能完全適用于風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì),可能會(huì)遺漏運(yùn)行工況對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)的重要性,而且這些標(biāo)準(zhǔn)通常局限于結(jié)構(gòu)在風(fēng)載下的靜態(tài)表現(xiàn),無法體現(xiàn)出與風(fēng)電機(jī)組控制和安全系統(tǒng)相關(guān)的故障情況。當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)依據(jù)的國際或國家標(biāo)準(zhǔn)沒有考慮臺(tái)風(fēng)的特性,運(yùn)行于臺(tái)風(fēng)地區(qū)的風(fēng)電機(jī)組遭到破壞的風(fēng)險(xiǎn)增大;盡管采用更高的生存風(fēng)速設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)組是可行的,但困難在于平衡風(fēng)電機(jī)組的成本和可靠性。對(duì)臺(tái)風(fēng)造成的大量風(fēng)電場(chǎng)事故分析表明[8~10],臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電設(shè)備的破壞主要與臺(tái)風(fēng)登陸過程中的風(fēng)況特性、風(fēng)電場(chǎng)的地形環(huán)境和風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制方法等因素有關(guān),不僅僅取決于臺(tái)風(fēng)的極大風(fēng)速。
我國的抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電技術(shù)研究得益于中國-歐盟能源與環(huán)境合作項(xiàng)目“臺(tái)風(fēng)對(duì)近海風(fēng)電開發(fā)的影響研究”項(xiàng)目,吸收了國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)的臺(tái)風(fēng)事故經(jīng)驗(yàn)[8~10],對(duì)我國近海臺(tái)風(fēng)登陸情況、臺(tái)風(fēng)影響下的極端風(fēng)速分布以及臺(tái)風(fēng)的破壞機(jī)理等做了系統(tǒng)性的分析和研究[11]。2010年4月,全國風(fēng)力機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)在上海組織召開了《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》國家標(biāo)準(zhǔn)的起草工作會(huì)議,浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司、國家氣候中心等被指定作為該標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位。該標(biāo)準(zhǔn)是世界上第一部用于臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品規(guī)范。
設(shè)計(jì)工況決定了風(fēng)電機(jī)組的外部載荷和運(yùn)行環(huán)境。與普通風(fēng)況相比,臺(tái)風(fēng)的湍流、突變風(fēng)向、陣風(fēng)和極端風(fēng)速[12]是不同于已有風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[13]的明顯特性。因此,深入分析臺(tái)風(fēng)的特性和風(fēng)電機(jī)組的失效機(jī)理,建立相應(yīng)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)況模型,用于風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)才能保證機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性。
臺(tái)風(fēng)過程中的強(qiáng)湍流常常是風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)失效的主要原因。通過對(duì)海上測(cè)風(fēng)塔觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明,由于風(fēng)致波浪的影響,湍流對(duì)海上風(fēng)電機(jī)組塔架下部產(chǎn)生的載荷效應(yīng)大于上部,呈現(xiàn)明顯的隨高度變化的特性。湍流對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響不僅僅與湍流的強(qiáng)度有關(guān),還與機(jī)組所處的方位呈現(xiàn)相關(guān)性。圖1是利用湍流風(fēng)速55m/s計(jì)算的偏航軸承的載荷,當(dāng)風(fēng)向在120°方位時(shí),載荷明顯異常;進(jìn)一步頻譜分析發(fā)現(xiàn),該方位下可能引發(fā)了結(jié)構(gòu)共振。
圖1 臺(tái)風(fēng)極端風(fēng)速下的異常載荷(湍流風(fēng),風(fēng)速50m/s,風(fēng)向120°)Fig.1 Abnormal load under typhoon(turbulence wind 50m/s,wind direction 120°)
日本的Kogaki等[3]詳細(xì)分析了日本復(fù)雜地形和臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)況與IEC標(biāo)準(zhǔn)的差異,指出多數(shù)情況下湍流強(qiáng)度分布與標(biāo)準(zhǔn)湍流模型(NTM)相似,但有60%的湍流強(qiáng)度超過了IEC最強(qiáng)湍流強(qiáng)度級(jí)別。Cao等[14]對(duì)臺(tái)風(fēng)Maem i的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析,得出了相同的結(jié)論,并給出了臺(tái)風(fēng)湍流三個(gè)方向的分量σu/σv/σw=1.8/1.5/1.0的比值關(guān)系。
通過對(duì)我國近海大量臺(tái)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,張秀芝等[15]得出結(jié)論,當(dāng)風(fēng)速不斷增大時(shí),在臺(tái)風(fēng)中心及附近的縱向湍流強(qiáng)度逐步降低趨于穩(wěn)定,臺(tái)風(fēng)的三維湍流大于IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定;臺(tái)風(fēng)湍流三個(gè)方向(縱向、橫向、垂向)的比例關(guān)系為1∶0.86∶0.51。
GB/T 19201―2006規(guī)定了我國范圍內(nèi)的熱帶氣旋等級(jí)劃分原則,如表1所示。
表1 我國熱帶氣旋劃分標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Tropical cyclone classification table
表2是薩菲爾-辛普森颶風(fēng)分級(jí)模型,該模型相比我國的熱帶氣旋分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),風(fēng)速的觀測(cè)時(shí)間不一樣,對(duì)50m/s以上的風(fēng)速劃分的更細(xì)。對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì),這種分級(jí)方式的風(fēng)速劃分可操作性意義更強(qiáng)。但要解決我國近海環(huán)境下的海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)極端風(fēng)速,仍需要極端風(fēng)速的分布圖譜。
表2 薩菲爾-辛普森颶風(fēng)等級(jí)Table 2 Saffir-Simpson hurricane scale
由于海上風(fēng)電場(chǎng)離岸距離通常在10~50m范圍內(nèi),因此臺(tái)風(fēng)的近岸特性對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[11]統(tǒng)計(jì)了1949—2010年以來影響我國近海的臺(tái)風(fēng)登陸情況,計(jì)算考慮臺(tái)風(fēng)影響的我國近海50年一遇的最大風(fēng)速,如圖2所示。根據(jù)極端風(fēng)速分布圖譜的分析結(jié)果,設(shè)計(jì)參考風(fēng)速為50m/s的等級(jí)可以適用于我國大部分海域,55m/s的等級(jí)則基本涵蓋了我國海上風(fēng)電可開發(fā)海域。
圖2 臺(tái)風(fēng)影響下的我國近海50年一遇風(fēng)速分布圖Fig.2 Wind speed map with a recurrent period of 50 years in over the coastal waters of China
風(fēng)向的瞬時(shí)變化值對(duì)風(fēng)電機(jī)組安全性有重要的影響。筆者對(duì)收集到的23個(gè)臺(tái)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析表明,臺(tái)風(fēng)過程中,當(dāng)風(fēng)速在12~30m/s時(shí),風(fēng)向變化較大,但速率較慢,風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)可以跟隨上風(fēng)向的變化。風(fēng)向變化幅值基本小于IEC 61400-1 Ed.2規(guī)定的50年一遇ⅠA幅值。當(dāng)臺(tái)風(fēng)經(jīng)過時(shí),通常會(huì)帶來較大的風(fēng)速,有利于海上風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電運(yùn)行,但風(fēng)向的大范圍變化給海上風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行帶來困難。因此,設(shè)計(jì)海上風(fēng)電機(jī)組時(shí),應(yīng)結(jié)合風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài),考慮風(fēng)向、湍流和變槳、偏航等控制參數(shù),進(jìn)行綜合分析。這也是風(fēng)電機(jī)組臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容之一。
筆者收集了2003年以來中國東南部沿海88個(gè)測(cè)風(fēng)塔的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果表明,臺(tái)風(fēng)過程中的陣風(fēng)幅值大于IEC 61400-1 Ed.3的ⅠA等級(jí),但小于IEC 61400-1 Ed.2的ⅠA等級(jí)。圖3是臺(tái)風(fēng)“鯰魚”不同觀測(cè)地點(diǎn)的實(shí)測(cè)陣風(fēng)值,伴隨的陣風(fēng)變化已經(jīng)超出了IEC 61400-1規(guī)定的陣風(fēng)幅值(圖3中的粗實(shí)線所示,兩條粗實(shí)線分別表示風(fēng)速等于Vhub時(shí)對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)特性曲線)。
圖3 臺(tái)風(fēng)“鯰魚”實(shí)測(cè)陣風(fēng)Fig.3 Gusts during of typhoon“MEGI”
根據(jù)第三部分的臺(tái)風(fēng)特性分析結(jié)果,對(duì)IEC 61400-1 Ed.3的風(fēng)況模型提出如下更改。
1)EWM_TC:湍流風(fēng)模型的縱向、橫向和垂向分量比例更改為 1∶0.86∶0.5。
2)EOG_TC:定義臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的陣風(fēng)幅值模型,見式(1)
周期(T=14 s)、風(fēng)速方程與 IEC 61400-1 Ed.3一致。
3)EDC_TC:定義臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)向變化幅值模型,見式(2)
周期(T=6 s)、極端風(fēng)向瞬時(shí)變化方程與IEC 61400-1 Ed.3一致。
式(1)和 式(2)中,Vgust為陣風(fēng)幅值;σ1為輪轂高度處的縱向風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)偏差,見IEC 61400-1;D為風(fēng)輪直徑;Λ1為湍流尺度參數(shù);θe為極端風(fēng)向變化;Vhub為輪轂高度處的風(fēng)速。
為考察上述臺(tái)風(fēng)特性對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷的影響,考慮臺(tái)風(fēng)過程中風(fēng)電機(jī)組可能的工作狀態(tài),制定表3所列的臺(tái)風(fēng)工況。為評(píng)估湍流強(qiáng)度的增加對(duì)機(jī)組載荷的影響,設(shè)置工況DLC 9.2;DLC9.3、DLC 9.4是考察臺(tái)風(fēng)時(shí)機(jī)組的可能停機(jī)過程;DLC9.5、DLC9.6是考察臺(tái)風(fēng)時(shí)機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下受陣風(fēng)、風(fēng)向變化的影響。這里假定臺(tái)風(fēng)警報(bào)發(fā)出后,風(fēng)電機(jī)組采取順槳、空轉(zhuǎn)的控制策略。
表3 臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)工況Table 3 Typhoon design load cases
設(shè)計(jì)仿真考慮以下工況組合:a.不考慮臺(tái)風(fēng)影響的IEC 61400-1 Ed.3標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工況;b.表3的臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)工況;c.表3(不包括DLC9.1)+A。
采用1.5MW變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為仿真研究對(duì)象,機(jī)組數(shù)據(jù)如表4所示。
采用大型通用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)與分析軟件Bladed,根據(jù)IEC 61400-1 Ed.3國際標(biāo)準(zhǔn),利用表3設(shè)計(jì)的工況模型對(duì)表4所列1.5MW機(jī)組進(jìn)行了仿真分析。圖4給出了不同風(fēng)向、不同風(fēng)速情況下葉根和塔架底部的載荷。從圖4可以看出,當(dāng)風(fēng)輪處于下風(fēng)向時(shí)塔底載荷和葉根載荷最小,機(jī)組應(yīng)盡量避開風(fēng)向90°的方位角,即側(cè)風(fēng)向;隨極限風(fēng)速的增加,葉根扭矩?zé)o法通過調(diào)整控制策略得到有效降低,成為機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)的薄弱環(huán)節(jié)。因此,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,應(yīng)提高葉根的扭轉(zhuǎn)剛度。
表4 1.5MW風(fēng)電機(jī)組數(shù)據(jù)Table 4 1.5MW wind turbine data
圖4 不同方位角時(shí)的葉根彎矩(DLC9.1)Fig.4 Blade root bending moment with different azimuth(DLC9.1)
表5是組合工況A和C的設(shè)計(jì)載荷仿真結(jié)果(DLC2.1、DLC6.2、DLC8.2來自于 IEC 61400-1)。要保持與IEC 61400-1一樣的安全余量,臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)載荷將比IEC標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)風(fēng)電機(jī)組增大15%~40%。對(duì)于海上環(huán)境,縱向湍流強(qiáng)度要比陸上小,則臺(tái)風(fēng)導(dǎo)致的極限載荷要小于陸上環(huán)境。
表5 組合工況A和C下的風(fēng)電機(jī)組部件極限載荷Table5 Extreme load of combination case A and C
表6 葉片載荷比較Table 6 Comparision of blade load
臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)造成的事故中,葉片是損壞幾率最高的部件。表6分析了極端風(fēng)速下不同湍流導(dǎo)致的葉片載荷,可見,由于臺(tái)風(fēng)過程中的異常湍流,葉片揮舞方向和擺陣方向的載荷增大,揮舞方向更容易損壞。
從表5、表6的結(jié)果也可以看到,湍流強(qiáng)度對(duì)極限載荷的影響非常明顯;對(duì)海上風(fēng)電場(chǎng)來說,氣流恢復(fù)平穩(wěn)很慢,在臺(tái)風(fēng)擾流下,排間風(fēng)電機(jī)組的相互影響帶來的湍流增大需要引起更多的重視。
本文重點(diǎn)研究并建立了用于風(fēng)電機(jī)組臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)風(fēng)況模型和工況模型,利用Bladed仿真軟件驗(yàn)證了上述模型的正確性和合理性,通過對(duì)比常規(guī)機(jī)組的設(shè)計(jì)結(jié)果,指出風(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)情況下的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。風(fēng)電機(jī)組的臺(tái)風(fēng)適應(yīng)性設(shè)計(jì),應(yīng)采用系統(tǒng)性的本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法,不應(yīng)簡(jiǎn)單地加強(qiáng)結(jié)構(gòu)部件,也不應(yīng)單純地更改控制策略,而應(yīng)該從設(shè)計(jì)全過程綜合考慮正確的臺(tái)風(fēng)特性描述、合理的結(jié)構(gòu)安全余量和正確的安全控制策略;還需要從海上風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)策略等方面形成一套完整的體系。
對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的適應(yīng)性設(shè)計(jì)提出如下的總體設(shè)計(jì)思路。a.臺(tái)風(fēng)風(fēng)模型。從設(shè)計(jì)輸入的源頭解決臺(tái)風(fēng)風(fēng)特性源的準(zhǔn)確描述問題,提供正確的環(huán)境參數(shù)輸入。b.設(shè)計(jì)工況??紤]充分利用臺(tái)風(fēng)發(fā)電的可能性,綜合考慮臺(tái)風(fēng)、結(jié)構(gòu)和控制狀態(tài),能夠涵蓋海上風(fēng)電機(jī)組的整個(gè)運(yùn)行周期。c.控制策略。根據(jù)仿真結(jié)果,風(fēng)電機(jī)組處于上風(fēng)向或下風(fēng)向時(shí)載荷最小??紤]不同方位下的臺(tái)風(fēng)湍流頻率,應(yīng)具備扇區(qū)管理功能,以避開仿真分析中出現(xiàn)不利載荷的風(fēng)向。d.結(jié)構(gòu)分級(jí)失效原則。根據(jù)部件失效后果進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要性分級(jí),考慮各種不確定性導(dǎo)致的載荷變化,對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行余量分級(jí)設(shè)計(jì)。如葉片的首先失效,能夠保證塔架和整機(jī)的穩(wěn)定性。e.臺(tái)風(fēng)預(yù)警功能??紤]充分利用臺(tái)風(fēng),提高發(fā)電效益,海上風(fēng)電機(jī)組的控制系統(tǒng)應(yīng)能夠接受臺(tái)風(fēng)預(yù)警信號(hào),當(dāng)風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值后自動(dòng)轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的臺(tái)風(fēng)運(yùn)行模式。f.臺(tái)風(fēng)應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)考慮臺(tái)風(fēng)來臨前后的預(yù)防措施、運(yùn)維方案、臺(tái)風(fēng)信息處理和監(jiān)測(cè)等方案,提高臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)電設(shè)備抗臺(tái)風(fēng)能力。
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