趙進(jìn)

（山西焦煤集團(tuán)機(jī)電部，太原 030000）

隨著我國風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，大批風(fēng)電機(jī)組安裝在東南沿海。我國東南沿海地域臺(tái)風(fēng)頻繁登陸，對(duì)風(fēng)電機(jī)組以及風(fēng)電場帶來很大的危害。如浙江省自從1997年大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電以來，共計(jì)受到22次臺(tái)風(fēng)影響，其中7次臺(tái)風(fēng)給風(fēng)電設(shè)備帶來損失高達(dá)百萬元，2次臺(tái)風(fēng)造成的損失更是高達(dá)千萬元以上[1]。隨著新建風(fēng)電場單機(jī)容量的不斷擴(kuò)大，特別是風(fēng)電場在海上安裝時(shí)所受的影響更加明顯，一旦遭遇臺(tái)風(fēng)，將造成巨大損失。因此在風(fēng)電機(jī)組上開展抗臺(tái)風(fēng)能力研究的必要性越發(fā)凸顯。

國際上開展風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)技術(shù)研究的國家和地區(qū)主要有東南亞、日本、美國和中國等。早在2004年，日本就開始了風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)的研究。主要研究內(nèi)容為極端風(fēng)圖譜、載荷測(cè)試、極端風(fēng)速數(shù)據(jù)庫以及風(fēng)電場址評(píng)估和機(jī)組選型等。

2005 年，丹麥國家能源實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合菲律賓、越南等東盟國家開展了相關(guān)研究項(xiàng)目。通過對(duì)菲律賓國內(nèi)極限風(fēng)速以及風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計(jì)要求的調(diào)查研究，分析了安全系數(shù)提高導(dǎo)致的機(jī)組成本增加的相關(guān)內(nèi)容。

美國船級(jí)社對(duì)臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的海上風(fēng)電場和海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行了研究，獲得美國政府大力支持。據(jù)報(bào)告[2-3]，應(yīng)用在臺(tái)風(fēng)地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)載荷計(jì)算模型，建議采用API（美國石油協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)模型。

目前，對(duì)臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行研究的國際知名風(fēng)電機(jī)組制造商主要有三菱、VESTAS和GE。其重點(diǎn)研究內(nèi)容側(cè)重于極端風(fēng)速和極端風(fēng)載及其危害等方面，根據(jù)機(jī)組原有條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、策略控制等方面持續(xù)優(yōu)化和改進(jìn)。

我國基于對(duì)近年來沿海登陸臺(tái)風(fēng)影響下極端風(fēng)速分布及其破壞機(jī)理的深入研究[4-7]，最終頒布了第一部臺(tái)風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)——GB/T 31519—2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》[8]。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)臺(tái)風(fēng)控制策略，通過載荷計(jì)算，優(yōu)化塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)塔架輕量化設(shè)計(jì)，由此可以帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。通過現(xiàn)場載荷測(cè)驗(yàn)，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可行性，將助力于我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沿海地區(qū)及海上型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展。

1 標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)

1.1 研究對(duì)象

挑選浙江某沿海風(fēng)場為研究對(duì)象，該風(fēng)電場采用FD2000臺(tái)風(fēng)型機(jī)組，基本參數(shù)見表1。

1.2 載荷計(jì)算

臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組載荷工況根據(jù) GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 設(shè)計(jì)要求》規(guī)定的載荷工況DLC1.1—DLC8.2，結(jié)合GB/T 31519—2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》規(guī)定的臺(tái)風(fēng)環(huán)境載荷工況，共同組成臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組載荷工況DLC9.1—DLC9.14。

表1 FD2000臺(tái)風(fēng)型機(jī)組的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of FD2000 typhoon unit

各載荷工況含義簡要說明：DLC9.1為發(fā)電兼有故障；DLC9.2—DLC9.4為正常停機(jī)；DLC9.5—DLC9.12為空轉(zhuǎn)；DLC9.13—DLC9.14為停機(jī)兼故障。利用BLADED載荷仿真軟件，計(jì)算機(jī)組葉根、輪轂中心、塔架頂部、塔基等主要部件的載荷，結(jié)果見表2。

表2 臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算結(jié)果Tab.2 Load calculation results of typhoon wind turbine unit

按照表 2的載荷結(jié)果對(duì)各部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度計(jì)算，這里主要對(duì)塔架進(jìn)行詳細(xì)闡述。根據(jù)塔基及各截面載荷，計(jì)算得塔架質(zhì)量約199 t。

2 臺(tái)風(fēng)控制策略風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)

2.1 臺(tái)風(fēng)控制策略設(shè)計(jì)

對(duì)臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組塔基載荷進(jìn)行分析可知，塔基極限載荷出現(xiàn)在DLC9.10工況。當(dāng)風(fēng)向處于0°或180°時(shí)，即機(jī)組處于上風(fēng)向或背風(fēng)向時(shí)，塔基載荷較小，約為最大值的50%，如圖1所示。若臺(tái)風(fēng)期間可保證機(jī)組持續(xù)處于對(duì)風(fēng)狀態(tài)，則塔基承受的載荷大幅下降，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組輕量化設(shè)計(jì)?；诖怂悸?，開發(fā)臺(tái)風(fēng)控制策略，如圖2所示。

臺(tái)風(fēng)控制策略主要由SCADA 系統(tǒng)開發(fā)、機(jī)組控制優(yōu)化、供電備用系統(tǒng)、風(fēng)速風(fēng)向儀等四大部分組成。

2.1.1 SCADA 系統(tǒng)開發(fā)

SCADA承擔(dān)了偏航備用系統(tǒng)的三項(xiàng)主要任務(wù)：實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)預(yù)警、臺(tái)風(fēng)過境提示功能；允許遠(yuǎn)方控制全風(fēng)場進(jìn)入偏航備用模式；保證在臺(tái)風(fēng)中電網(wǎng)失電時(shí)遠(yuǎn)程啟動(dòng)供電備用系統(tǒng)。

根據(jù)氣象預(yù)報(bào)信息，在臺(tái)風(fēng)到達(dá)48 h之前，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號(hào)。在臺(tái)風(fēng)登陸前24 h，偏航備用準(zhǔn)備狀態(tài)準(zhǔn)備就緒，并對(duì)風(fēng)場電網(wǎng)、通訊網(wǎng)絡(luò)、柴油機(jī)狀態(tài)等進(jìn)行檢查。在臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)判定風(fēng)速大于設(shè)定值時(shí)，機(jī)組進(jìn)入偏航備用模式。臺(tái)風(fēng)過境后，系統(tǒng)判定風(fēng)速小于設(shè)定值時(shí)，機(jī)組、電網(wǎng)線路、通訊網(wǎng)絡(luò)等各項(xiàng)風(fēng)場運(yùn)行的必要項(xiàng)目開始自檢，并恢復(fù)機(jī)組正常運(yùn)行。

2.1.2 機(jī)組控制優(yōu)化

實(shí)現(xiàn)功能主要包括：當(dāng)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在偏航備用模式時(shí)，能夠?qū)C(jī)組自動(dòng)偏航的預(yù)警和告警信號(hào)進(jìn)行屏蔽阻止，確保不對(duì)人員和機(jī)組設(shè)備造成安全影響。在臺(tái)風(fēng)過后，當(dāng)機(jī)組在未完成自檢以前，確保機(jī)組不能自動(dòng)切換到運(yùn)行狀態(tài)。如果SCADA操作者發(fā)出人為運(yùn)行指令，系統(tǒng)仍能夠?qū)υ撝噶钸M(jìn)行阻止。

2.1.3 供電備用系統(tǒng)

對(duì)風(fēng)電機(jī)組而言，保持持續(xù)偏航狀態(tài)非常重要。在供電備用電源設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到在電網(wǎng)失電情況下，可以使用柴油發(fā)電機(jī)組向整個(gè)風(fēng)電場提供動(dòng)力電源。在容量設(shè)置上，需要對(duì)風(fēng)電場內(nèi)供電線路數(shù)據(jù)、機(jī)組型式數(shù)量以及柴油機(jī)的功率因數(shù)等因素進(jìn)行綜合考慮。

2.1.4 風(fēng)速風(fēng)向儀

在本機(jī)組上使用的風(fēng)速風(fēng)向儀最高只能測(cè)到50 m/s的風(fēng)速。臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)速大、風(fēng)向改變快，為使偏航備用系統(tǒng)得到更高風(fēng)速及風(fēng)向信息，在選取合適的風(fēng)速風(fēng)向儀和測(cè)量方法方面需要進(jìn)一步研究。

2.2 載荷計(jì)算

基于GB/T 31519—2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》設(shè)計(jì)的機(jī)組塔基載荷如圖 3所示。由圖 3可知，在DLC9.10k-3工況下，塔基極限載荷 Mxy的最大值為98 805 kN·m。在 DLC9.9a-4工況下，塔基載荷 Mxy第二高值為68 347 kN·m。

在臺(tái)風(fēng)環(huán)境下，臺(tái)風(fēng)控制策略主要影響的載荷工況是DLC9.10，原塔基極限載荷最大值為98 805 kN。由圖1可知，對(duì)風(fēng)狀態(tài)下的塔基載荷約為50 000 kN·m，所以采取臺(tái)風(fēng)控制策略可有效降低極限載荷。該值小于DLC9.9a-4工況下的第二載荷高值68 347 kN·m，所以在各臺(tái)風(fēng)載荷工況下，塔基極限載荷值應(yīng)為68 347 kN·m。結(jié)合GB/T 18451.1—2012工況DLC1.1—DLC8.2可知，在DLC1.5工況下，Mxy達(dá)到最大值，為75 549 kN·m。綜合分析可知，臺(tái)風(fēng)控制策略下的臺(tái)風(fēng)型機(jī)組塔基極限載荷為75 549 kN·m。

圖1 DLC9.10工況下不同對(duì)風(fēng)角度下的塔基載荷Fig.1 Tower base load at different wind angles under DLC9.10 working condition

圖2 臺(tái)風(fēng)控制策略流程Fig.2 Flow chart of typhoon control strategy

圖3 臺(tái)風(fēng)載荷工況下塔基載荷Fig.3 Tower base load under typhoon load

3 塔架輕量化設(shè)計(jì)及經(jīng)濟(jì)效益分析

經(jīng)過載荷計(jì)算得出，采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組在降低塔架載荷，增加塔架設(shè)計(jì)安全裕度方面效果顯著。采用臺(tái)風(fēng)控制策略后，塔基Mxy載荷降低了 23.5%。根據(jù)塔基極限載荷和各截面載荷分布（如圖4所示），重新設(shè)計(jì)塔架結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)塔架的輕量化設(shè)計(jì)，塔架質(zhì)量約173 t，減輕了13%。

圖4 新塔架隨著塔架高度變化的MxyFig.4 Mxy of new tower with height of tower

以浙江某沿海風(fēng)電場為例，風(fēng)電機(jī)組臺(tái)數(shù)按 24臺(tái)計(jì)算，采用臺(tái)風(fēng)控制策略對(duì)機(jī)組塔架進(jìn)行設(shè)計(jì)后，質(zhì)量約為 173 t，而原來的臺(tái)風(fēng)型機(jī)組的塔架質(zhì)量約為199 t。塔筒加工、運(yùn)輸單價(jià)為0.8萬元/t，則每個(gè)風(fēng)場的塔架節(jié)約建設(shè)成本499萬元。

采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組，在臺(tái)風(fēng)期間需要偏航系統(tǒng)不斷對(duì)風(fēng)運(yùn)行，備用電源采用三臺(tái)200 kW的柴油發(fā)電機(jī)，以保證供電連續(xù)性。預(yù)計(jì)在風(fēng)電機(jī)組20年壽命內(nèi)，柴油發(fā)電機(jī)購置費(fèi)、油耗費(fèi)、維護(hù)等費(fèi)用總和約為83萬元。由此可知，節(jié)約成本約為416萬元。

綜上所述，臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組通過采用臺(tái)風(fēng)控制策略，在實(shí)現(xiàn)塔架輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還能帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于降低投資風(fēng)險(xiǎn)以及減少投資成本方面大有裨益。

4 現(xiàn)場載荷測(cè)試與分析

對(duì)浙江某沿海風(fēng)電場上A05和A06兩臺(tái)樣機(jī)塔架進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)試，其中 A05機(jī)組為基于 GB/T 31519—2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)型機(jī)組，A06為采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型機(jī)組。

在進(jìn)行機(jī)組載荷測(cè)試時(shí)，主要考慮葉片根部載荷、風(fēng)輪載荷、塔架載荷等主要載荷量。臺(tái)風(fēng)控制策略針對(duì)如何降低塔基載荷進(jìn)行研究，本次試驗(yàn)只對(duì)機(jī)組塔基載荷進(jìn)行測(cè)試。

采用電阻應(yīng)變片對(duì)塔基的彎矩進(jìn)行測(cè)量[9-10]，應(yīng)變片安裝在距離塔基法蘭上平面4.0 m處。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的數(shù)據(jù)采集模塊組成為：德國 IMC集成測(cè)控有限公司的 IMC CANSAS模塊 2個(gè)（SC16，DI16）；IMC CS7008主機(jī)模塊 1個(gè)。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)2018年 8月摩羯臺(tái)風(fēng)過境收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得2臺(tái)機(jī)組對(duì)風(fēng)狀態(tài)數(shù)據(jù)（偏航誤差角）和塔基載荷每個(gè)通道的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)通道間的實(shí)時(shí)計(jì)算，得到塔基的合成彎矩Mxy。

4.1 偏航誤差角對(duì)比分析

摩羯臺(tái)風(fēng)期間，通過現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，該風(fēng)電場最大風(fēng)速約36 m/s（10 min平均）。A05機(jī)組的對(duì)風(fēng)誤差如圖5a所示，可以看出，A05機(jī)組對(duì)風(fēng)偏差基本處在±50°區(qū)間內(nèi)，最大值為169°。A06機(jī)組的對(duì)風(fēng)誤差如圖5b所示，可以看出，A06機(jī)組對(duì)風(fēng)偏差基本處在±9°區(qū)間內(nèi)，并持續(xù)處在對(duì)風(fēng)狀態(tài)下。兩組風(fēng)機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)比說明，運(yùn)用臺(tái)風(fēng)控制策略的機(jī)組能夠?qū)崟r(shí)處于對(duì)風(fēng)狀態(tài)，也證明了對(duì)該策略的有效性。

圖5 兩機(jī)組臺(tái)風(fēng)期間對(duì)風(fēng)誤差數(shù)據(jù)Fig.5 Data of wind error of two units during typhoon

4.2 塔基載荷對(duì)比分析

通過A05和A06號(hào)機(jī)組塔基在臺(tái)風(fēng)期間Mxy載荷數(shù)據(jù)的對(duì)比分析（如圖6所示）[11]，得出普通臺(tái)風(fēng)型機(jī)組塔基Mxy值保持在40 000～50 000 kN·m區(qū)間，而運(yùn)用臺(tái)風(fēng)策略的臺(tái)風(fēng)型機(jī)組塔基 Mxy值保持在22 000～34 000 kN·m之間，從而得出A06機(jī)組載荷值比A05機(jī)組載荷減小約16 000 kN·m。說明采用臺(tái)風(fēng)控制策略的風(fēng)電機(jī)組能有效降低塔基載荷，對(duì)塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作用明顯，可實(shí)現(xiàn)機(jī)組輕量化。

圖6 A05和A06兩臺(tái)機(jī)組塔基Mxy值統(tǒng)計(jì)Fig.6 Mxy value statistics of tower baseof A05 and A06 units

4.3 實(shí)測(cè)載荷與理論載荷對(duì)比分析

摩羯臺(tái)風(fēng)期間，機(jī)組處的最大風(fēng)速為36 m/s，未達(dá)到設(shè)計(jì)的最大風(fēng)速42 m/s（10 min平均值）。為了對(duì) A06機(jī)組在臺(tái)風(fēng)期間實(shí)測(cè)值與理論值的相關(guān)性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)比分析BLADED軟件計(jì)算的DLC9.10工況下的載荷數(shù)據(jù)與A06機(jī)組塔基Mxy實(shí)測(cè)值，如圖7所示。對(duì)比可知，A06機(jī)組塔基載荷實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值相比略高，但基本走勢(shì)一致，處在25～34 m/s風(fēng)速區(qū)間段，相關(guān)性達(dá)到94.1%。這顯示了理論仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的高度一致性，同時(shí)也充分驗(yàn)證了臺(tái)風(fēng)控制策略及塔架輕量化設(shè)計(jì)的可行性[12]。

圖7 A06機(jī)組塔基Mxy值實(shí)測(cè)值與仿真計(jì)算值對(duì)比Fig.7 Comparison between the measured value of Mxy of tower base of A06 unit and the simulated value

5 結(jié)論

在基于 GB/T 31519—2015《臺(tái)風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組》設(shè)計(jì)的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)上，開發(fā)臺(tái)風(fēng)控制策略，進(jìn)行載荷計(jì)算，并優(yōu)化塔架，實(shí)現(xiàn)塔基輕量化設(shè)計(jì)。最后通過對(duì)浙江某沿海風(fēng)電場2臺(tái)臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場測(cè)驗(yàn)，對(duì)比分析載荷數(shù)據(jù)，獲得如下結(jié)論。

1）采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組，較臺(tái)風(fēng)型機(jī)組的塔基載荷降低了23.5%。重新設(shè)計(jì)塔架，塔架質(zhì)量降低了13%，實(shí)現(xiàn)了塔架的輕量化設(shè)計(jì)。單個(gè)項(xiàng)目節(jié)省資金416萬元，對(duì)投資者降低投資風(fēng)險(xiǎn)非常有利。

2）在摩羯臺(tái)風(fēng)期間，采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組的對(duì)風(fēng)誤差在±9°區(qū)間內(nèi)，而臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組偏航誤差普遍在±50°區(qū)間內(nèi)，說明臺(tái)風(fēng)控制策略可實(shí)現(xiàn)機(jī)組在臺(tái)風(fēng)期間持續(xù)準(zhǔn)確對(duì)風(fēng)。

3）采用臺(tái)風(fēng)控制策略的臺(tái)風(fēng)型風(fēng)電機(jī)組塔基Mxy理論仿真值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性達(dá)94.1%，驗(yàn)證了理論仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性和輕量化塔架應(yīng)用的可行性，這有助于我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沿海地區(qū)及海上型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)展。