蔡高原

（中國大唐集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司中南電力試驗研究院,河南 鄭州 450000）

1 概述

隨著能源、環(huán)境問題日益凸顯,風(fēng)光等可再生能源得到大規(guī)模的應(yīng)用。2021 年,全國新增并網(wǎng)風(fēng)電裝機4757萬千瓦,累計并網(wǎng)裝機容量3.28 億千瓦,同比增長16.6%,2021 年風(fēng)電發(fā)電量6526 億千瓦時,同比增長40.5%,我國風(fēng)電發(fā)展仍處于快速發(fā)展階段。同時,2021年全國風(fēng)電平均利用小時數(shù)2246 小時,同比增加149 小時。

伴隨著風(fēng)電的裝機容量的不斷增加,我國風(fēng)電的發(fā)展逐漸向成熟期轉(zhuǎn)變,風(fēng)電開發(fā)從分散、粗獷式的跑馬圈地向精益、集約式的科學(xué)規(guī)劃轉(zhuǎn)變,風(fēng)電運維從分散、被動運維向“無人值班、少人值守、區(qū)域檢修”的智慧運維轉(zhuǎn)變。

本文針對某風(fēng)電場1 號風(fēng)機運行中出現(xiàn)的葉片掃塔故障進(jìn)行分析,橫線對比各風(fēng)機的運行數(shù)據(jù),縱向?qū)Ρ裙收蠒r刻與歷史運行數(shù)據(jù),分析了風(fēng)輪瞬時轉(zhuǎn)速、塔筒瞬時振動及風(fēng)機湍流度情況,討論了湍流度對葉片運行的影響[1-3]。

2 故障情況

某風(fēng)電場安裝2MW 風(fēng)機20 臺,總裝機容量40MW,風(fēng)輪配備某型號2.0-52.5 葉片三支。

2021 年12 月11 日,該風(fēng)電場1 號風(fēng)機分別于08 時47 分46 秒和12 時38 分49 秒兩次發(fā)出主軸超速動作。立即對1 號風(fēng)機進(jìn)行現(xiàn)場檢查

現(xiàn)場對故障風(fēng)機進(jìn)行實地勘查,1 號風(fēng)機南偏西方向塔筒偏下部存在葉尖刮蹭痕跡,一支葉片尖部處斷裂,其余兩支葉片葉尖處有裂紋,對風(fēng)機周圍進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn),與葉尖處等高度塔筒外表面有明顯劃痕,劃痕呈紅色（葉片紅色漆）,并立即上塔檢查輪轂內(nèi)無異常,槳葉蓋板密封良好,機艙無異?，F(xiàn)象。

3 故障數(shù)據(jù)分析

故障后,立刻對1 號風(fēng)機08 時47 分46 秒和12 時38 分49 秒兩次故障時刻的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。

3.1 08 時47 分超速保護(hù)動作數(shù)據(jù)

08 時47 分46 秒超速保護(hù)動作,查閱超速保護(hù)動作前一時刻運行數(shù)據(jù)記錄,發(fā)現(xiàn)在超速保護(hù)動作前,機組槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率、塔筒振動值均正常。

根據(jù)故障時刻的運行數(shù)據(jù)繪制出在超速保護(hù)動作時刻主軸速度波形圖如圖1 所示。

圖1 故障時刻的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速瞬時值波形

根據(jù)機組運行數(shù)據(jù)繪制超速保護(hù)動作時刻塔筒振動波形如圖2 所示。

圖2 故障時刻塔筒振動瞬時數(shù)據(jù)波形

從圖1 以及圖2 可以看出,圖1 中風(fēng)輪轉(zhuǎn)速于08:47:46.23-08:47:47.13 時刻之間突然開始寬幅急劇震蕩,08:47:46.53 時刻轉(zhuǎn)速幅值最大接近20rpm,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速振動幅值瞬時超出15rpm 后觸發(fā)軟件超速保護(hù)動作,08:47:46.23-08:47:47.13 間風(fēng)輪平均轉(zhuǎn)速值小于15rpm,且震蕩持續(xù)時間小于1 秒,應(yīng)屬瞬發(fā)性超速情況。對08:47:46.23-08:47:47.13 間風(fēng)機葉片槳距角、瞬時風(fēng)速及瞬時電磁轉(zhuǎn)矩等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,未發(fā)現(xiàn)上述參量有大幅跳變的情況,風(fēng)機處于正常狀態(tài)下,沒有造成風(fēng)輪轉(zhuǎn)速大幅震蕩的因素,再對圖2 機艙的振動情況進(jìn)行分析,在主軸開始波動時刻起,風(fēng)機塔筒x 及y 軸方向振動幅值顯著增大,尤其是y 方向振動幅值最大,最大值為0.10g,超出振動觸發(fā)值0.06g,但因持續(xù)時間較短（觸發(fā)延時3S）未能觸發(fā)風(fēng)機振動保護(hù)動作。綜合分析主軸開始波動的時刻：葉片尖部出現(xiàn)了與塔筒刮蹭的情況,超速是由葉片在旋轉(zhuǎn)過程中與塔筒刮蹭,瞬時施加的外部力量傳遞波傳達(dá)到風(fēng)輪造成激勵引起轉(zhuǎn)速瞬時寬幅波動而觸發(fā),激勵也傳遞到機艙振動測點,造成x、y 方向振動也出現(xiàn)了波動,由于激勵傳遞的延遲,兩者波動時間有一定的延時,因此判斷為主軸轉(zhuǎn)速開始波動的時刻為葉片與塔筒發(fā)生了刮蹭。

3.2 12 時38 分49 秒故障記錄

12 時38 分49 秒超速保護(hù)動作,查閱超速保護(hù)動作前一時刻運行數(shù)據(jù)記錄,發(fā)現(xiàn)在超速保護(hù)動作前,機組槳距角、發(fā)電機轉(zhuǎn)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率、塔筒振動值均正常。

查閱運行數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)1 號風(fēng)機在9 時重新投入運行,并于當(dāng)日12:38:49 時再次發(fā)生超速故障,對故障時風(fēng)機轉(zhuǎn)速及振動進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),其波形與08:47:46 時發(fā)生的超速故障呈現(xiàn)出高度相似性,表現(xiàn)出明顯的應(yīng)激響應(yīng)特性,具有高度一致性。因而認(rèn)為風(fēng)機在該時刻再次發(fā)生了葉片與塔筒出現(xiàn)刮蹭情況。

4 歷史數(shù)據(jù)分析

4.1 故障當(dāng)天運行數(shù)據(jù)分析

對故障當(dāng)天1 號風(fēng)機運行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,為故障當(dāng)天1 號風(fēng)機全天的10 分鐘運行記錄中的風(fēng)速、風(fēng)向、湍流度曲線圖,通過運行數(shù)據(jù)計算當(dāng)天1 號風(fēng)機的平均風(fēng)速為11.8m/s,風(fēng)向較為平穩(wěn),但當(dāng)天的平均湍流度達(dá)到47.2%,最大湍流度達(dá)到141%,明顯高于其他機組的平均湍流度。一周內(nèi)湍流度最大值出現(xiàn)在故障日,且風(fēng)機發(fā)生掃塔事故時段,湍流度處于當(dāng)日湍流度較大區(qū)間內(nèi),兩次掃塔事故發(fā)生時平均湍流強度為74%和75%,風(fēng)機葉尖與塔筒發(fā)生刮蹭發(fā)生在湍流強度峰值時刻,因為來風(fēng)的湍流度會對風(fēng)機葉片的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,突然增大的湍流引起葉片尖部與塔筒發(fā)生刮蹭。

4.2 故障前一個月風(fēng)機運行數(shù)據(jù)分析

對1 號風(fēng)機葉片損壞前一個月內(nèi)風(fēng)機運行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計1 號風(fēng)機月平均湍流強度為18.92%,通過對風(fēng)機偏航各風(fēng)向湍流度進(jìn)行統(tǒng)計,將風(fēng)機一周劃分為8個相等的扇區(qū),如圖3 所示,發(fā)現(xiàn)風(fēng)機機位坐標(biāo)系中S 向風(fēng)湍流度明顯大于N 向,且兩次掃塔故障時刻,風(fēng)速均位于SE-SW 高湍流度區(qū)間內(nèi),因而認(rèn)為湍流度與葉片掃塔關(guān)系密切。

圖3 1號風(fēng)向與湍流度分布圖

4.3 風(fēng)速、湍流度及振動情況分析

對1 號風(fēng)機事故前一月風(fēng)速、湍流度與振動進(jìn)行分析結(jié)果如圖4。

圖4 1號風(fēng)機風(fēng)速、湍流度與X 向振動分析圖

由圖4、圖5 可以看出,風(fēng)機振動值隨風(fēng)速變化不太敏感,但隨湍流度增加振動值顯著增大。

圖5 1號風(fēng)機風(fēng)速、湍流度與Y 向振動分析圖

4.4 風(fēng)電場所有風(fēng)機湍流度對比分析

對風(fēng)電場20 臺同型號風(fēng)電機組分析,統(tǒng)計其長期觀測湍流度如表1 所示,表1 為投運至今的平均湍流度。

由表1 中數(shù)據(jù)可以看出,發(fā)生掃塔事件的1 號風(fēng)電機組,其長期觀測湍流度位于全場最高水平,且平均湍流度是其他機組的2.5～6 倍左右。

表1 20臺風(fēng)機平均湍流度統(tǒng)計表

5 防湍流控制措施

5.1 傳統(tǒng)變速變槳風(fēng)機控制策略

傳統(tǒng)的風(fēng)電機組控制主要包括轉(zhuǎn)矩控制和槳距控制。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在額定轉(zhuǎn)速以下時,通過轉(zhuǎn)矩控制使風(fēng)電機組處于最大功率運行方式,以捕獲更多的風(fēng)能；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速,但風(fēng)速在額定風(fēng)速以下時,通過轉(zhuǎn)矩控制使風(fēng)電機組功率輸出功率隨著風(fēng)速的增加逐步增加至額定功率；風(fēng)速在額定風(fēng)速以上時,通過槳距控制,使風(fēng)電機組輸出功率維持在額定功率,但在額定風(fēng)速附近時,若出現(xiàn)強陣風(fēng)、大湍流風(fēng)況時,將會導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制和槳距控制存在耦合,風(fēng)速從額定風(fēng)速以下迅速升高至額定風(fēng)速以上,轉(zhuǎn)矩控制達(dá)到最大轉(zhuǎn)矩后,槳距控制才投入運行,加上變槳動作固有延時,極容易造成風(fēng)機出現(xiàn)超速、功率超限、振動加劇等情況。

針對以上情況,本文設(shè)計了一種復(fù)雜風(fēng)況下基于風(fēng)輪加速度的變槳前饋控制方法,如圖6 所示,加入風(fēng)輪加速度檢測部分,并通過風(fēng)輪加速度的變化反映強陣風(fēng)、大湍流風(fēng)的情況,從而實現(xiàn)快速收槳。

圖6 風(fēng)機變槳控制策略

5.2 基于風(fēng)輪加速度的變槳前饋控制策略

在額定風(fēng)速附近,加入風(fēng)輪加速度控制邏輯,風(fēng)速大于設(shè)定風(fēng)速時,判斷風(fēng)輪加速度是否大于設(shè)定值,當(dāng)出現(xiàn)風(fēng)輪加速度超限時,機組極易引起超速、功率超限等風(fēng)險,此時說明原有的槳距控制存在一定延時,無法有效控制槳葉收槳,直接在槳距控制前加入強陣風(fēng)前饋控制環(huán)節(jié),根據(jù)風(fēng)輪加速度值直接計算變槳速度和角度,保證變槳機構(gòu)能夠快速響應(yīng)。

變槳前饋控制流程如圖7 所示。

圖7 變槳前饋控制策略流程圖

5.3 仿真驗證

以該風(fēng)場2MW 風(fēng)機機型為例,額定風(fēng)速10m/s,額定轉(zhuǎn)速1800r/min,建立標(biāo)準(zhǔn)工況下10m/s 的陣風(fēng)模型,通過仿真驗證強陣風(fēng)復(fù)雜風(fēng)況下葉片的控制效果。

從圖8 仿真運行結(jié)果可以看出,前饋方法能夠有效降低風(fēng)機轉(zhuǎn)速的波動,抑制了轉(zhuǎn)速的增幅,通過快速收槳,從而避免了機組超速,同時減小機組載荷和塔架的振動,減小強陣風(fēng)、大湍流對機組的影響。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)工況下10m/s 陣風(fēng)仿真結(jié)果

6 結(jié)論

本文基于風(fēng)電機組運行數(shù)據(jù),從機組風(fēng)輪瞬時轉(zhuǎn)速、塔筒瞬時振動及風(fēng)機湍流度幾個方面,分析風(fēng)機葉片故障時刻、故障前一個月以及投運至今的運行數(shù)據(jù)特征。對比發(fā)現(xiàn),葉片剮蹭塔筒時刻前,機組湍流度明顯增大；葉片剮蹭塔筒時刻,機組振動值明顯增大。通過橫線對比各機組投運至今湍流度,故障機組平均湍流度遠(yuǎn)高于其他機組,可以看出較高的湍流度是此次葉片故障的誘因。并針對風(fēng)機強陣風(fēng)、湍流度大等復(fù)雜風(fēng)況,提出了基于風(fēng)輪加速度的變槳前饋控制策略,以消除湍流度大對風(fēng)機超速、振動大、葉片掃塔的問題,并通過仿真驗證該方法的可行性,為該類問題的解決提供參考。