楊 翀 王瑞良 孫 勇 王 琳 聶方正

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江 杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012）

0 引言

我國(guó)國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人做出了“中國(guó)二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的國(guó)際承諾，驅(qū)使著能源電力生產(chǎn)向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。而風(fēng)電作為綠色可持續(xù)能源，可大量減少碳排放，因此促進(jìn)風(fēng)電消納是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要舉措[1]。風(fēng)資源開(kāi)發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向低風(fēng)速、高湍流的風(fēng)資源區(qū)，此類(lèi)風(fēng)場(chǎng)大都是山地復(fù)雜地形，極端陣風(fēng)風(fēng)況較多。陣風(fēng)特點(diǎn)是風(fēng)速與風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)均發(fā)生較大變化，易出現(xiàn)極端湍流和極端風(fēng)剪切疊加的情況，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)面臨凈空不足的情況，行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)多次掃塔事故。

為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在的凈空不足問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了深入研究，各種監(jiān)測(cè)和控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[2]。郭俊凱等人[3]通過(guò)探究風(fēng)速、槳距角、功率對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片—塔架凈空的影響，分析了葉片—塔架最小凈空工況下葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。B.P.Williams等人[4]提出在塔筒上安裝葉尖距離監(jiān)測(cè)裝置，在一定的有效監(jiān)測(cè)距離內(nèi)，對(duì)凈空不足的情況做出響應(yīng)。M.M.Zhang等人[5]通過(guò)新增可變后緣襟翼作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，采用智能控制策略，使得葉根面外彎矩和葉尖變形量下降30%。L.Zhang等人[6]通過(guò)加裝毫米波雷達(dá)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉片到塔架間的最小距離，并引入前饋控制，使得葉片到塔架的最小凈空值從5.65 m提升到7.43 m。

本文針對(duì)凈空不足問(wèn)題，提出了一種通過(guò)激光凈空監(jiān)測(cè)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)葉片—塔架凈空的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在凈空不足時(shí)適當(dāng)增加槳距角的策略，并選用實(shí)際機(jī)組進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 主動(dòng)凈空控制策略設(shè)計(jì)

1.1 極端相干陣風(fēng)

陣風(fēng)在山地復(fù)雜地形容易出現(xiàn)，它的特點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向發(fā)生大幅變化。根據(jù)IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)[7]載荷計(jì)算的定義，極端湍流模型，方向變化的極端相干陣風(fēng)的幅值為Vcg=15 m/s，風(fēng)速變化上升時(shí)間為T(mén)=10 s，實(shí)時(shí)風(fēng)速計(jì)算公式為：

風(fēng)速的上升與風(fēng)向從0到θcg的變化是同步進(jìn)行的，風(fēng)向變化量為：

則同步的實(shí)時(shí)風(fēng)向?yàn)椋?/p>

圖1為陣風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向變化示意圖，可以看出在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向都發(fā)生了驟變，這對(duì)風(fēng)機(jī)的載荷和凈空都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

圖1 陣風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向變化示意圖

1.2 極端風(fēng)剪切工況

根據(jù)IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)載荷計(jì)算的定義，極端風(fēng)切變EWS工況，瞬時(shí)（正向或逆向）垂直切變表示為：

瞬時(shí)水平切變表示為：

在EWS工況中的強(qiáng)負(fù)向風(fēng)剪切作用下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在接近塔架時(shí)，容易產(chǎn)生凈空不足的情況。若EWS和ECD工況發(fā)生疊加，葉片掃塔事故發(fā)生的概率會(huì)進(jìn)一步增加。

2 主動(dòng)凈空控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1 綜合凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本文提出了一種激光凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和機(jī)載式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)相結(jié)合的綜合凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及配套的主動(dòng)凈空控制策略，圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，激光凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以部署于合適的位置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔架—葉片凈空的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至可探測(cè)位置，凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的激光束可以迅速采集到葉尖測(cè)點(diǎn)到凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的距離，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換，換算出塔架凈空值；機(jī)載式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)安裝于機(jī)艙上方，可以實(shí)時(shí)測(cè)量來(lái)流方向的風(fēng)剪切和風(fēng)速變化率。上述兩個(gè)設(shè)備的信號(hào)實(shí)時(shí)輸入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。

圖2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

2.2 主動(dòng)凈空控制策略架構(gòu)

本凈空控制策略采用激光雷達(dá)凈空監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測(cè)量原始值作為輸入，在主控系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行坐標(biāo)變換等處理，算出葉尖到塔架的實(shí)時(shí)最小凈空值；機(jī)載式激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)上風(fēng)向的豎直風(fēng)剪切和風(fēng)速變化率。當(dāng)換算出的實(shí)時(shí)最小凈空值小于凈空閾值時(shí)，或豎直風(fēng)剪切小于風(fēng)剪切閾值，或風(fēng)速變化率大于指定閾值，則觸發(fā)主動(dòng)凈空控制。主動(dòng)凈空控制觸發(fā)后，會(huì)在原有槳距角指令上疊加預(yù)設(shè)的補(bǔ)償值，削減風(fēng)輪面推力，提升塔架凈空。在經(jīng)歷延遲時(shí)間后，槳距角補(bǔ)償值以斜坡速率退出。主動(dòng)凈空控制流程框圖如圖3所示。

圖3 主動(dòng)凈空控制流程框圖

3 仿真評(píng)估

采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真軟件Bladed對(duì)該策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真模型為某3.3 MW雙饋機(jī)組，風(fēng)輪直徑164 m，額定轉(zhuǎn)速1750 r/min，在IEC規(guī)范工況設(shè)置下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈空最小工況往往出現(xiàn)在DLC1.3（ETM風(fēng)況）與DLC1.5（EWS工況）。因此，對(duì)DLC1.3（ETM風(fēng)況）與DLC1.5（EWS工況）開(kāi)展仿真驗(yàn)證，比較主動(dòng)凈空控制策略的應(yīng)用效果，從機(jī)組的槳距角、凈空值等運(yùn)行參數(shù)著手進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1 ETM風(fēng)況仿真驗(yàn)證

本文給出某DLC1.3（ETM風(fēng)況）下的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了主動(dòng)凈空控制策略的有效性。結(jié)合圖4說(shuō)明開(kāi)啟主動(dòng)凈空控制以后的效果：圖4（a）展示了工況中的風(fēng)速條件，平均風(fēng)速12 m/s，縱向湍流強(qiáng)度為22%；圖4（b）展示了主動(dòng)凈空控制疊加的槳距角；圖4（c）展示了主動(dòng)凈空控制開(kāi)啟與否的槳距角時(shí)序；圖4（d）展示了塔架最小凈空值的時(shí)序。在本次仿真時(shí)序的88 s附近，主動(dòng)凈空控制觸發(fā)，槳距角進(jìn)行了及時(shí)補(bǔ)償，提升了機(jī)組在93～103 s風(fēng)速極速上升時(shí)的凈空值。

圖4 ETM風(fēng)況仿真驗(yàn)證結(jié)果

3.2 EWS風(fēng)況仿真驗(yàn)證

在DLC1.5（EWS風(fēng)況）下，會(huì)出現(xiàn)下風(fēng)輪面風(fēng)速顯著高于上風(fēng)輪面風(fēng)速的情況，即強(qiáng)負(fù)剪切工況，在此種工況下，葉尖發(fā)生掃塔的可能性會(huì)大幅度提升。結(jié)合圖5說(shuō)明開(kāi)啟主動(dòng)凈空控制以后的效果：圖5（a）展示了輪轂高度、上風(fēng)輪面和下風(fēng)輪面的風(fēng)速情況；圖5（b）展示了主動(dòng)凈空控制開(kāi)啟與否的槳距角時(shí)序；圖5（c）展示了塔架最小凈空值的時(shí)序。

圖5 EWS風(fēng)況仿真驗(yàn)證結(jié)果

傳統(tǒng)變速變槳控制策略無(wú)法對(duì)負(fù)剪切做出直接響應(yīng)，而應(yīng)用了主動(dòng)凈空控制策略以后，塔架最小凈空值提升1 m。

4 現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估

本項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行批量應(yīng)用，且能實(shí)際捕捉到凈空不足并進(jìn)行補(bǔ)償。圖6展示了某復(fù)雜場(chǎng)址條件項(xiàng)目的應(yīng)用案例，圖6（a）展示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，圖6（b）展示了實(shí)測(cè)塔架凈空值和觸發(fā)閾值的時(shí)序，圖6（c）展示了主動(dòng)凈空控制疊加的槳距角值。

從圖6可以看出，在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜風(fēng)況條件下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速開(kāi)始驟增，實(shí)測(cè)塔架凈空值下降到觸發(fā)閾值以下，主動(dòng)凈空控制策略立即進(jìn)行槳距角補(bǔ)償，塔架凈空值快速恢復(fù)到安全水平。

圖6 實(shí)際應(yīng)用案例驗(yàn)證結(jié)果

5 結(jié)論

（1）本文針對(duì)復(fù)雜場(chǎng)址下風(fēng)電機(jī)組的凈空隱患和傳統(tǒng)變速變槳控制策略的局限性，提出了一種綜合性?xún)艨毡O(jiān)測(cè)系統(tǒng)和配套的主動(dòng)凈空控制策略。

（2）根據(jù)Bladed仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證，本控制策略可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中提升塔架凈空值，有利于整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)；也可以在實(shí)際復(fù)雜風(fēng)況下通過(guò)槳距角補(bǔ)償，提升機(jī)組安全性，降低掃塔風(fēng)險(xiǎn)。