風(fēng)力發(fā)電機組塔架凈空優(yōu)化的變槳控制方法

楊娟霞，李強，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)定與碳中和國家戰(zhàn)略相適應(yīng)的發(fā)展空間：保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。2025年后，中國風(fēng)電年均新增裝機容量應(yīng)不低于6000萬千瓦，到2030年至少達到8億千瓦，到2060年至少達到30億千瓦[1]。提升技術(shù)經(jīng)濟競爭力是風(fēng)電實現(xiàn)規(guī)模化、平價化發(fā)展的主要方法，高可靠性和低度電成本是評價風(fēng)力發(fā)電機組競爭力的重要指標(biāo)。更大葉輪直徑，輕量化葉片是降低機組成本的有效手段，同時也面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，在極端風(fēng)況下，長柔葉片的形變更大，增大了葉片塔架碰撞的概率。因此，塔架凈空是長柔葉片開發(fā)中考慮的關(guān)鍵因素。

針對長柔葉片的塔架凈空約束問題，國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度探索了保護優(yōu)化方案。文獻［2］從基于可靠性的風(fēng)機設(shè)計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)的隨機模型、可靠性估計方法等方面，和傳統(tǒng)的設(shè)計方法IEC61400-1[3]相比，是一種更經(jīng)濟的設(shè)計方法。針對塔架凈空的保護也有相關(guān)的方案：文獻［4］通過傳感器測量出葉尖在面外的形變，作為控制系統(tǒng)的反饋信號，設(shè)計了獨立變槳算法，不僅可以提升凈空，還可以降低機組關(guān)鍵部件的疲勞載荷。專利［5］中根據(jù)測量的機組運行值和葉片負載值估算塔架凈空，當(dāng)檢測到塔架凈空低于某個閾值時，為三個不同的槳距設(shè)置提供單獨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復(fù)雜，魯棒性較差，工程化實現(xiàn)困難。

綜上分析，本文提出了一種風(fēng)力發(fā)電機組凈空優(yōu)化的變槳控制方法，基于仿真平臺評估了該算法的有效性，并在樣機上進行了測試。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，保護機組的安全。

1 凈空優(yōu)化控制器設(shè)計

1.1 風(fēng)力發(fā)電機組塔架凈空特性分析

以一大葉輪機組的仿真結(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，針對該機型，在9m/s附近葉輪面的推力達到最大，塔架凈空最小。參考風(fēng)力發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速運行特性圖1（c）所示，風(fēng)速在9m/s附近，葉輪的轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速nr，還未變槳，此時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，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 基于測量凈空的變槳控制器設(shè)計

如圖2是風(fēng)力發(fā)電機組塔架凈空系統(tǒng)拓撲圖，其中101是塔架凈空監(jiān)測采集裝置，部署于合適的位置，可以選擇機艙下方。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至最低點時，該采集裝置實時檢測并計算塔架凈空值。102是風(fēng)力發(fā)電機組控制系統(tǒng)，計算的塔架凈空數(shù)值實時傳入控制系統(tǒng)，實施變槳控制保護。

圖2 塔架凈空系統(tǒng)拓撲圖

變槳控制是風(fēng)力發(fā)電機閉環(huán)控制的主要部分，經(jīng)典變槳控制內(nèi)容可以參考文獻［6］。考慮凈空優(yōu)化的變槳控制器如圖3所示，其中，基于測量凈空的槳角補償器邏輯如圖4所示。

圖3 凈空優(yōu)化變槳控制器

圖 4 基于測量凈空的槳角補償器

圖3中，yg是風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速信號，yc是測量塔架凈空信號，r是目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號，e是轉(zhuǎn)速偏差信號，u’是基于測量凈空計算的槳角補償量，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，改善塔架凈空。

圖4中，首先對測量的塔架凈空信號進行處理，獲取測量凈空有效值，如果測量凈空低于機組停機保護值，立即執(zhí)行停機保護；否則，基于當(dāng)前測量凈空查表計算得到槳角補償量?；跍y量凈空的槳角補償器輸出動態(tài)槳角補償值，從而在凈空低的時候適當(dāng)提升槳角，提升塔架凈空。

2 仿真評估及載荷影響分析

2.1 仿真評估

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凈空的優(yōu)化效果。ETM和EWS分別是文獻［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）是測量塔架凈空信號；5（c）是槳角補償器以測量的凈空信號為輸入計算的槳角補償量；5（d）是開啟槳角補償器前后的槳角對比；5（e）是開啟槳角補償器前后的最小凈空對比，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)速變化時序，極端風(fēng)剪切來臨時刻，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；6（b）是開啟槳角補償器前后的槳角對比，6（c） 開啟槳角補償器前后的最小凈空對比，可以看出，通過槳角補償，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組設(shè)計中的關(guān)鍵制約因素，因此需要考慮凈空優(yōu)化的方案對機組關(guān)鍵部件疲勞載荷的影響。以上述仿真為例，采用文獻［7］中描述的雨流計數(shù)算法計算機組20年等效疲勞載荷。圖7是開啟凈空優(yōu)化前后機組的關(guān)鍵部件葉根、塔底、變槳疲勞載荷對比，可以看出，凈空優(yōu)化方案對機組的疲勞載荷幾乎沒有影響。

圖7 開啟凈空優(yōu)化前后機組關(guān)鍵部件疲勞載荷對比

3 樣機測試結(jié)果

該方案已經(jīng)在現(xiàn)場小批量應(yīng)用，相關(guān)算法在PLC控制器中實現(xiàn)。圖8是在一臺MW機組上的測試結(jié)果，該機組所處山地地形，風(fēng)況較復(fù)雜。8(a)是測試風(fēng)速，風(fēng)速均值7.3m/s，湍流23%；8(b)是測試轉(zhuǎn)速，額定轉(zhuǎn)速是14pm；8(c)是測試塔架凈空信號，機組運行在額定轉(zhuǎn)速附近且風(fēng)速湍流較大，塔架凈空波動較大。當(dāng)塔架凈空低于設(shè)定保護值時刻，給出槳角補償量，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，保證了機組的安全。

圖8 樣機測試結(jié)果

4 結(jié)論

文章介紹了一種風(fēng)力發(fā)電機組凈空優(yōu)化的變槳控制方法，通過對塔架凈空的特性分析，設(shè)計了基于測量凈空的變槳優(yōu)化控制器，并通過仿真分析和樣機測試驗證了算法的有效性。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，提高了機組的可靠性。同時，評估證明該項技術(shù)對機組關(guān)鍵部件的疲勞載荷無影響。該方法在風(fēng)力發(fā)電機的設(shè)計優(yōu)化中有非常重要的作用，通過對塔架凈空的保護有助于長柔葉片的開發(fā)及應(yīng)用，不僅可以實現(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，從而提升機組的競爭力。同時，該方法工程化簡單，容易推廣應(yīng)用。

風(fēng)力發(fā)電機組配置了塔架凈空保護系統(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，從而對標(biāo)準(zhǔn)進行修訂，這是未來要研究的概率設(shè)計方法。