楊娟霞，李強(qiáng)，趙樹椿，肖飛

（北京金風(fēng)科創(chuàng)風(fēng)電設(shè)備有限公司，北京 100176）

0 引言

風(fēng)電是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)目標(biāo)的關(guān)鍵支撐。2020年“風(fēng)能北京宣言”中指出，在“十四五”規(guī)劃中，須為風(fēng)電設(shè)定與碳中和國(guó)家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間：保證年均新增裝機(jī)5000萬千瓦以上。2025年后，中國(guó)風(fēng)電年均新增裝機(jī)容量應(yīng)不低于6000萬千瓦，到2030年至少達(dá)到8億千瓦，到2060年至少達(dá)到30億千瓦[1]。提升技術(shù)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)力是風(fēng)電實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、平價(jià)化發(fā)展的主要方法，高可靠性和低度電成本是評(píng)價(jià)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組競(jìng)爭(zhēng)力的重要指標(biāo)。更大葉輪直徑，輕量化葉片是降低機(jī)組成本的有效手段，同時(shí)也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在極端風(fēng)況下，長(zhǎng)柔葉片的形變更大，增大了葉片塔架碰撞的概率。因此，塔架凈空是長(zhǎng)柔葉片開發(fā)中考慮的關(guān)鍵因素。

針對(duì)長(zhǎng)柔葉片的塔架凈空約束問題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同的角度探索了保護(hù)優(yōu)化方案。文獻(xiàn)［2］從基于可靠性的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)角度闡述了概率方法的應(yīng)用，包括關(guān)鍵失效模式極限狀態(tài)的建模、不確定參數(shù)的隨機(jī)模型、可靠性估計(jì)方法等方面，和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法IEC61400-1[3]相比，是一種更經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。針對(duì)塔架凈空的保護(hù)也有相關(guān)的方案：文獻(xiàn)［4］通過傳感器測(cè)量出葉尖在面外的形變，作為控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)，設(shè)計(jì)了獨(dú)立變槳算法，不僅可以提升凈空，還可以降低機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷。專利［5］中根據(jù)測(cè)量的機(jī)組運(yùn)行值和葉片負(fù)載值估算塔架凈空，當(dāng)檢測(cè)到塔架凈空低于某個(gè)閾值時(shí)，為三個(gè)不同的槳距設(shè)置提供單獨(dú)的槳距指令以避免極小凈空事件發(fā)生。以上已有方法理論相對(duì)復(fù)雜，魯棒性較差，工程化實(shí)現(xiàn)困難。

綜上分析，本文提出了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈空優(yōu)化的變槳控制方法，基于仿真平臺(tái)評(píng)估了該算法的有效性，并在樣機(jī)上進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明：該方法可以有效提升塔架凈空，避免在極端風(fēng)況下葉片和塔架碰撞，保護(hù)機(jī)組的安全。

1 凈空優(yōu)化控制器設(shè)計(jì)

1.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架凈空特性分析

以一大葉輪機(jī)組的仿真結(jié)果為例，如圖1（a）是IECdlc12正常發(fā)電工況的塔架凈空隨風(fēng)速的變化特性，圖1（b）是葉輪面推力-風(fēng)速相關(guān)性，針對(duì)該機(jī)型，在9m/s附近葉輪面的推力達(dá)到最大，塔架凈空最小。參考風(fēng)力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運(yùn)行特性圖1（c）所示，風(fēng)速在9m/s附近，葉輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速nr，還未變槳，此時(shí)葉輪面受到的推力最大，葉片的變形最大，塔架凈空最小，變槳以后，塔架凈空增大，如圖1（d）。因此，在塔架凈空較低時(shí)，可以通過增大槳角減小葉輪面的推力，從而避免塔架凈空的持續(xù)下降。

圖1 塔架凈空特性分析

1.2 基于測(cè)量?jī)艨盏淖儤刂破髟O(shè)計(jì)

如圖2是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架凈空系統(tǒng)拓?fù)鋱D，其中101是塔架凈空監(jiān)測(cè)采集裝置，部署于合適的位置，可以選擇機(jī)艙下方。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至最低點(diǎn)時(shí)，該采集裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)并計(jì)算塔架凈空值。102是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)，計(jì)算的塔架凈空數(shù)值實(shí)時(shí)傳入控制系統(tǒng)，實(shí)施變槳控制保護(hù)。

圖2 塔架凈空系統(tǒng)拓?fù)鋱D

變槳控制是風(fēng)力發(fā)電機(jī)閉環(huán)控制的主要部分，經(jīng)典變槳控制內(nèi)容可以參考文獻(xiàn)［6］?？紤]凈空優(yōu)化的變槳控制器如圖3所示，其中，基于測(cè)量?jī)艨盏臉茄a(bǔ)償器邏輯如圖4所示。

圖3 凈空優(yōu)化變槳控制器

圖 4 基于測(cè)量?jī)艨盏臉茄a(bǔ)償器

圖3中，yg是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，yc是測(cè)量塔架凈空信號(hào)，r是目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)，e是轉(zhuǎn)速偏差信號(hào)，u’是基于測(cè)量?jī)艨沼?jì)算的槳角補(bǔ)償量，u是變槳控制器最終輸出的槳角給定值，在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的同時(shí)，改善塔架凈空。

圖4中，首先對(duì)測(cè)量的塔架凈空信號(hào)進(jìn)行處理，獲取測(cè)量?jī)艨沼行е?，如果測(cè)量?jī)艨盏陀跈C(jī)組停機(jī)保護(hù)值，立即執(zhí)行停機(jī)保護(hù)；否則，基于當(dāng)前測(cè)量?jī)艨詹楸碛?jì)算得到槳角補(bǔ)償量?；跍y(cè)量?jī)艨盏臉茄a(bǔ)償器輸出動(dòng)態(tài)槳角補(bǔ)償值，從而在凈空低的時(shí)候適當(dāng)提升槳角，提升塔架凈空。

2 仿真評(píng)估及載荷影響分析

2.1 仿真評(píng)估

本文以ETM（Extreme Turbulence Model）和EWS（Extreme Wind Shear）兩種極端風(fēng)況下的仿真結(jié)果為例說明第1章中描述的變槳控制器對(duì)凈空的優(yōu)化效果。ETM和EWS分別是文獻(xiàn)［3］所述標(biāo)準(zhǔn)中定義的極端湍流風(fēng)和極端風(fēng)剪切工況。仿真控制器基于C++環(huán)境開發(fā)。

ETM風(fēng)況的仿真結(jié)果如圖5所示：5（a）是極端湍流風(fēng)，風(fēng)速的均值是9.41m/s，湍流是29%；5（b）是測(cè)量塔架凈空信號(hào)；5（c）是槳角補(bǔ)償器以測(cè)量的凈空信號(hào)為輸入計(jì)算的槳角補(bǔ)償量；5（d）是開啟槳角補(bǔ)償器前后的槳角對(duì)比；5（e）是開啟槳角補(bǔ)償器前后的最小凈空對(duì)比，開啟以后，最小凈空提升1.4m。

圖5 ETM極端湍流風(fēng)工況下仿真結(jié)果

EWS風(fēng)況的仿真結(jié)果如圖6所示：6（a）是EWS風(fēng)況下葉輪面的風(fēng)速變化時(shí)序，極端風(fēng)剪切來臨時(shí)刻，上葉輪面的風(fēng)速快速減小，下葉輪面的風(fēng)速快速增大，增大了葉片碰撞塔架的風(fēng)險(xiǎn)；6（b）是開啟槳角補(bǔ)償器前后的槳角對(duì)比，6（c） 開啟槳角補(bǔ)償器前后的最小凈空對(duì)比，可以看出，通過槳角補(bǔ)償，極端風(fēng)剪切工況下的凈空可以提升1m。

圖6 EWS極端風(fēng)剪切工況下仿真結(jié)果

2.2 載荷影響分析

部件疲勞載荷也是大葉輪機(jī)組設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵制約因素，因此需要考慮凈空優(yōu)化的方案對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件疲勞載荷的影響。以上述仿真為例，采用文獻(xiàn)［7］中描述的雨流計(jì)數(shù)算法計(jì)算機(jī)組20年等效疲勞載荷。圖7是開啟凈空優(yōu)化前后機(jī)組的關(guān)鍵部件葉根、塔底、變槳疲勞載荷對(duì)比，可以看出，凈空優(yōu)化方案對(duì)機(jī)組的疲勞載荷幾乎沒有影響。

圖7 開啟凈空優(yōu)化前后機(jī)組關(guān)鍵部件疲勞載荷對(duì)比

3 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

該方案已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)小批量應(yīng)用，相關(guān)算法在PLC控制器中實(shí)現(xiàn)。圖8是在一臺(tái)MW機(jī)組上的測(cè)試結(jié)果，該機(jī)組所處山地地形，風(fēng)況較復(fù)雜。8(a)是測(cè)試風(fēng)速，風(fēng)速均值7.3m/s，湍流23%；8(b)是測(cè)試轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速是14pm；8(c)是測(cè)試塔架凈空信號(hào)，機(jī)組運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速附近且風(fēng)速湍流較大，塔架凈空波動(dòng)較大。當(dāng)塔架凈空低于設(shè)定保護(hù)值時(shí)刻，給出槳角補(bǔ)償量，如8(d)；8(e)和8(f)分別是變槳角度和變槳速率，槳角補(bǔ)償后，變槳角度增大，葉輪面的推力減小，使得在惡劣風(fēng)況下，葉片形變減小，塔架凈空有所提升，保證了機(jī)組的安全。

圖8 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)論

文章介紹了一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈空優(yōu)化的變槳控制方法，通過對(duì)塔架凈空的特性分析，設(shè)計(jì)了基于測(cè)量?jī)艨盏淖儤獌?yōu)化控制器，并通過仿真分析和樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證了算法的有效性。該算法可以有效提升塔架凈空值，極大降低了極端風(fēng)況下葉片塔架碰撞的概率，提高了機(jī)組的可靠性。同時(shí)，評(píng)估證明該項(xiàng)技術(shù)對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件的疲勞載荷無影響。該方法在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化中有非常重要的作用，通過對(duì)塔架凈空的保護(hù)有助于長(zhǎng)柔葉片的開發(fā)及應(yīng)用，不僅可以實(shí)現(xiàn)葉片的減重降本，還可以捕獲更多的風(fēng)能，提升發(fā)電量，從而提升機(jī)組的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，該方法工程化簡(jiǎn)單，容易推廣應(yīng)用。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組配置了塔架凈空保護(hù)系統(tǒng)以后，葉片開發(fā)中凈空約束的安全系數(shù)在一定程度上可以降低，從而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，這是未來要研究的概率設(shè)計(jì)方法。