浮式風機變槳故障后停機的動力特性研究

丁紅巖， 韓彥青， 張浦陽， 樂叢歡

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；3.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

浮式風機變槳故障后停機的動力特性研究

丁紅巖1，2，3， 韓彥青3， 張浦陽1，2，3， 樂叢歡1，2，3

(1.天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072；2.濱海土木工程結構與安全教育部重點實驗室(天津大學)，天津 300072；3.天津大學 建筑工程學院，天津 300072)

浮式風機變槳故障后緊急順槳停機可能會引起風機傳動系統、機艙設備、塔筒和浮式基礎荷載和彎矩的巨大波動。采用空氣動力-水動力-控制系統-結構動力全耦合非線性方法模擬了不同海況下的全潛式浮式風機變槳系統故障，分析了風機低速軸彎矩、機艙加速度、塔筒彎矩和浮式基礎的運動響應變化。結果表明，在變槳故障后緊急順槳停機工況下，風機系統內部所受荷載和彎矩與正常運行相比有明顯增加，在優化控制方法后，即變槳故障后高速軸剎車并減速順槳，風機系統內部增加的荷載和彎矩得到有效緩解。

浮式風機；變槳系統故障；空氣動力-水動力-控制系統-結構動力分析；控制方法

海上風電因其距離負荷中心近，不占用土地面積，海上風湍流強度小，發電穩定等特點，逐漸受到人們的重視。潮間帶、近海等固定式基礎海上風機[1-3]已經成為研究熱點。未來海上風電將逐漸向深海發展，但是固定式基礎不適宜在水深大于50 m建造，浮式風機將成為海上風電向深海發展的必然選擇。學者們主要對Spar[4]、半潛式[5]、張力腿[6]三種型式的浮式風機進行了多方面的研究。對于海上浮式風機的控制系統方面：NIELSEN等[7]通過研究發現控制策略對浮式風力機的動力響應有較大影響。ETEMADDAR等[8]研究了陸上風機在變槳故障和傳動軸速度傳感器故障后風機的動力響應特性，發現變槳故障主要影響風機傳動軸彎曲荷載，對風機推力的影響不大。JIANG等[9]對比分析了陸上風機和浮式風機變槳故障后緊急停機的動力響應，并研究了順槳速率對風機系統的影響，結果指出兩種風機在變槳故障緊急停機的情況下均會使風機系統的動力響應增大。在國內，海上浮式風機的研究仍處于起步階段。王磊等[10]建立海上浮式平臺水動力模型和空氣動力模型，并將其施加到“風輪-機艙-塔筒-系泊系統”組成的多柔體系統動力學模型中，對比固定式海上風機發現，浮式風機氣動載荷與水動力相互耦合對整機結構動力響應及功率波動有著明顯影響。在風機控制方面，安利強等[11]研究了發電機故障時固定式海上風電機組動態特性，發現故障對風電機組葉片危害嚴重，且變槳速率對葉尖位移有重要影響。魯效平等[12]研究了浮式風機獨立變槳距控制技術有效減小平臺的縱搖運動，并且對輸出功率的影響較小。李嘉文[13]研究了一種新型浮式風機在變槳故障后繼續運行的基礎運動和塔筒彎矩，發現對基礎橫蕩、橫搖、艏搖及塔筒彎矩增加明顯。綜上研究，對比陸上風機來說，海上浮式風機具有更多的自由度，并且系統振動的頻率分布范圍大，從0.01 Hz(基礎橫蕩)到5 Hz(二階基礎縱搖、塔筒彎曲)[14]，這些振動頻率可能與典型波浪頻率或者風機運行1P和3P頻率相近，從而產生共振響應，引起較大的動力響應，導致結構損傷。浮式風機在風浪環境載荷耦合的作用下變槳故障后停機時將會表現出復雜的動力特性，可能產生明顯的沖擊載荷，對風機葉片、機艙設備及塔筒等結構造成損壞。停機時控制方法的不同，也會造成不同的風機動力響應。因此需要基于空氣動力-水動力-結構彈性-伺服系統耦合方法對浮式風機緊急停機時動力特性進行非線性時域分析。

本文針對提出的全潛式浮式風機，基于全耦合動力理論對浮式風機在變槳系統故障后的控制策略及相應的動力特性進行研究，分析了不同風速、波浪環境下的風機正常運行、變槳故障后緊急順槳停機和優化控制方法，即變槳故障后剎車減速順槳下的風機及浮式基礎的動力響應。

1 全潛式浮式風機

全潛式浮式風機是為開發水深為30～100 m海上風電提出的一種新型浮式風機如圖1所示。主要由風機、全潛式浮式基礎和系泊系統組成。全潛式浮式基礎由立式浮筒、臥式浮筒、立柱通過橫撐和斜撐連接而成。塔筒底部距海平面以上10 m與立柱頂端相連。基礎具體參數詳見表1。本文研究中采用美國可再生能源實驗室NREL-5MW風機模型[15]，系泊系統參考文獻[16]，浮式風機與系泊系統的具體參數見表2。系統坐標系原點在水線面中心，x方向為風浪入射和系統橫蕩方向，y方向為系統縱蕩方向，z方向豎直向上。

表1 全潛式浮式基礎參數

表2 浮式風機及系泊系統參數

2 浮式風機動力學模型

風機與浮式基礎構成的耦合系統承受外界環境荷載和彎矩。作用在風機及塔筒上的空氣動力荷載及作用在基礎和錨鏈上的波浪、流荷載引起風機系統的運動響應。而風機運行過程中的控制系統策略使得風機系統的動力響應更加復雜。建立空氣動力學-水動力學-控制系統-結構動力學[17]全耦合模型是十分必要的，如圖2所示，為該模型的實現方法。

2.1 風機系統運動方程

海上浮式風機在外界作用下的運動方程如下：

圖2 空氣動力-水動力-控制系統-結構動力模型

(1)

2.2 風荷載

風機葉片受到的氣動荷載通過基于葉素動量理論和動態尾流模型的Aerodyn軟件計算。作用于風機塔筒上的風荷載通過下式求得：

(2)

式中:ρ為空氣密度;D為塔筒直徑;dl為單位塔筒長度;CD為空氣拖曳系數;V為對應高度的瞬時風速。

2.3 波浪荷載

全潛式浮式風機基礎中的浮箱及立柱部分受到的波浪荷載通過勢流理論計算得到；基礎中的支撐圓管受到的波浪力采用莫里森公式計算。

2.4 控制系統

NREL-5MW風機的控制系統由高速軸制動控制、發電機轉矩控制、偏航控制及變槳距控制組成，緊急情況時采取超控策略，具體如圖3所示。風電機組在額定功率恒定區運行時，發電機轉矩控制方式實現發電機轉速升高、 轉矩降低的控制。變槳距控制方式的目的是調節發電機轉速，采用槳距角PID控制器實現發電機轉速控制，PID控制器函數如下式所示：

(3)

式中：Δθ為槳距角與最優槳距角的差值；KP為比例增益；KI為積分增益；KD為微分增益；Ng為齒輪傳動比；Δω為風輪當前轉速與額定轉速的差值。風機變槳系統發生故障后，風電機組控制策略變為超控策略：進行緊急順槳停機，優先級高于變速變槳距功率控制。故障發生后，風電機組葉片在一定時間內從當前位置線性過渡到順槳位置。

圖3 NREL-5MW風機控制系統

3 模擬工況

本文采用FAST軟件[18]對海上浮式風機在正常運行、變槳故障后緊急順槳停機和剎車減速順槳停機兩種工況下進行模擬。

3.1 海況

分別模擬平均風速低于額定風速、等于額定風速、高于額定風速和接近切出風速四種湍流風及其對應的不規則隨機波浪，不規則隨機波浪通過JONSWAP譜生成，具體海況見表3。風和波浪的入射方向沿x軸正向，即浮式風機基礎的橫蕩方向。所在海域水深設置為100 m。海況2條件下的湍流風及波浪升高時程曲線如圖4所示。

表3 模擬采用的海況

3.2 控制方法

本文對全潛式浮式風機在不同海況下運行800 s進行了模擬。并在400 s時加入變槳系統故障，即其中一個風機葉片的變槳系統出現故障無法運行(槳距角停留在某一固定值)。為了研究全潛式浮式風機在變槳系統故障后停機對風機系統的影響，模擬了正常運行及變槳系統故障后常規緊急順槳停機[19]的控制方法M1：在變槳系統故障出現后0.1 s風機控制系統監測到該故障，并啟動控制其他兩個風機葉片順槳緊急停機策略，順槳速率為8 deg/s。并提出一種優化后的變槳系統故障剎車減速順槳控制方法M2：在變槳系統故障出現后0.1 s風機控制系統監測到該故障，并啟動高速軸剎車控制，在0.6 s內剎車扭矩增加到發電機額定扭矩，并在此之后控制其他兩個風機葉片順槳停機，順槳速率為2 deg/s，流程圖見圖5。由于本文目的不在于控制器設計，故對以上兩種簡化控制方法進行仿真，以表明優化的控制效果。

(a)平均風速為額定風速的時程曲線

(b)通過JONSWAP譜生成的隨機波浪

Fig.4 Time histories of turbulent wind and wave elevation in sea state 2

圖5 風機運行、變槳故障監測及控制流程圖

4 模擬結果

4.1 變槳故障后緊急順槳停機M1

浮式風機變槳系統通過控制葉片的迎風角度來控制風輪的轉速，進而控制風機的輸出功率。在變槳故障后控制系統通常會采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的緊急停機策略。但是緊急順槳可能引起葉片、傳動系統、塔筒等的荷載和彎矩的較大變化。并且在緊急順槳過程中由于風輪轉速降低，尾流速度增加，風機將會承受反向空氣推力，在陸上風機緊急順槳過程中，塔筒受到的彎矩可能會超過運行階段成為控制彎矩。浮式風機的緊急停機過程中也可能出現上述問題。

以額定風速及其對應的不規則波海況為例，圖6為浮式風機在運行400 s時出現變槳系統故障并在0.1 s后緊急順槳停機受到的風機推力曲線。可以看出，風機在緊急停機時受到的風機推力迅速減小為負值，即反向推力，之后逐漸恢復到順槳狀態下的大小。圖7為風機低速軸彎矩My在整個模擬過程中的變化，400.1 s后在順槳的過程中My增大到1.68×104kN·m，約為正常運行時期最大My的3.5倍。圖8為風機機艙y向加速度，同樣在順槳過程中增大了約3倍。由此可知，順槳過程中葉片的空氣動力失衡引起了低速軸彎矩及機艙加速度的較大波動，對風機機艙內部設備將會產生很大的影響。圖9為風機順槳過程中塔筒頂部和底部出現的反向彎矩。對于塔筒頂部，反向彎矩增加更為明顯，而對于塔筒底部，反向彎矩數值的相對于正常運行下的正向彎矩數值較小，沒有出現像陸上風機緊急停機時那種較為明顯的增加，這是由于風機塔筒底部與浮式基礎相連，浮式基礎的順應性將因緊急順槳停機引起的塔筒底部較大負彎矩通過基礎的運動緩解。圖10為全潛式浮式風機基礎的運動響應時程曲線，在變槳系統故障后緊急順槳停機過程中對基礎運動響應的影響較小，并隨著葉片的順槳逐漸減小。

圖6 風機推力時程曲線圖

圖7 低速軸彎矩My時程曲線

圖8 機艙y向加速度時程曲線

圖9 塔筒頂部、底部彎矩My時程曲線

4.2 變槳故障后控制方法優化M2

由上節可知變槳故障后緊急順槳停機M1會導致傳動系統，機艙內部設備及塔筒受到較大的荷載沖擊，解決該問題傳統的做法是調節緊急停機時的順槳速度，來減小沖擊載荷。但當緊急停機的順槳速度變慢時，又會導致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時風輪轉速也會大幅上升帶來其他隱性問題[19]。本文基于變槳故障停機時控制葉尖速比和槳距角的理念，建立優化后的簡化控制方法M2(實際需要更為詳細的控制策略優化)：在變槳系統故障出現后0.1 s風機控制系統監測到該故障，并啟動高速軸剎車控制，在0.6 s內剎車扭矩增加到發電機額定扭矩，并在此之后控制其他兩個風機葉片順槳停機，順槳速率為2 deg/s，與第一種控制方法相比減小了順槳速率。

(b)基礎轉角

圖11為優化后的風機低速軸彎矩My變化的時程曲線，和第一種控制方法M1相比，My在變槳故障后略有增加，最大值為0.5×104kN·m，和正常運行時最大值相比只增加了約20%。如圖12所示，對于機艙y向加速度的減小更為明顯，在變槳故障后剎車時，機艙y向加速度和正常運行時相近，在順槳后略有減小。圖13為塔筒頂部和底部彎矩變化曲線，在變槳故障出現后剎車和減小順槳速率有效地控制了塔筒頂部和底部負彎矩的變化，在停機過程中沒有沖擊荷載出現，并隨著順槳的進行，該彎矩逐漸減小，在整個過程中，沒有較大的沖擊載荷出現。這是由于在變槳故障后加入剎車可有效限制風輪轉速的增加，控制葉尖速比。而降低順槳速率則可以減小因快速順槳導致的風輪釋放能量過快及空氣動力失衡，減小了傳動系統，機艙內部設備及塔筒受到較大的荷載沖擊。

圖11 低速軸彎矩My時程曲線

Fig.11 Time history of low-speed shaft bending moment about they-axis

圖12 機艙y向加速度時程曲線

Fig.12 Time history of nacelle translational acceleration along they-axis

圖13 塔筒頂部、底部彎矩My時程曲線

4.3 變槳故障及優化后的動力響應對比

不同海況下作用在風機葉片上的空氣動力荷載和作用在浮式基礎上的波浪荷載變化較大，因此處在不同風浪中的風機變槳故障并停機引起的荷載及彎矩變

化有較為明顯的差別。本文分析了正常運行、變槳故障后緊急順槳停機M1和剎車減速順槳M2三種工況下的風機系統的響應，包括風機低速軸彎矩My、機艙y向加速度、塔筒頂部和底部的彎矩My，隨風浪大小的變化特性。圖14為歸一化后不同海況下的風機系統響應。圖14(a)、(b)中，風機正常運行時，低速軸彎矩My和機艙y向加速度隨風浪的增大略有增加；在變槳故障后緊急順槳停機M1時，各海況下低速軸彎矩My和機艙y向加速度增加均較為明顯，均增加2倍以上。尤其是在額定風速時，低速軸彎矩My增加到正常運行時期最大My的3.5倍，形成較大的沖擊載荷。這是由于在額定風速對應的海況下，正常運行時受到的風機推力最大，變槳故障后緊急順槳停機導致風輪釋放能量過快，使得尾流速度增加，風輪承受相反方向的推力，槳距角的不同同樣引起了風機葉片明顯的空氣動力失衡，造成較大的沖擊載荷。而經過優化后的控制方法M2可以很好的緩解低速軸彎矩My和機艙y向加速度的增大，與正常運行時相比僅增加20%～30%。圖14(c)為塔筒頂部正彎矩My在不同海況時運行與故障工況下的變化，其隨著風浪的增加略有增大。在控制方法M2下由于風輪轉速和順槳速率得到有效控制，且由于順槳作用，塔筒頂部彎矩My比正常運行時減小。圖14(d)為塔筒底部彎矩My的變化，緊急停機導致了負彎矩出現，但是由于浮式基礎的順應性，塔筒底部的負彎矩變化并不是很明顯。

(a)低速軸彎矩My

(b)機艙y向加速度

(c)塔筒頂部彎矩My

(d)塔筒底部彎矩My

5 結 論

浮式風機變槳故障后停機會引起風機葉片的空氣動力失衡，并導致風機傳動系統、機艙、塔筒及浮式基礎的荷載和彎矩變化。本文研究了不同海況下風機系統在正常運行、變槳故障后緊急順槳停機時的動力響應，并提出了一種簡化的浮式風機變槳故障后剎車減速順槳的優化控制方法，主要結論如下：

(1)浮式風機變槳系統故障后緊急順槳停機會引起風機葉片的空氣動力失衡，導致風機傳動系統、機艙、塔筒頂部的荷載和彎矩變化。

(2)由于全潛式浮式基礎的順應性，變槳故障后緊急順槳停機引起的塔筒底部的彎矩和浮式基礎的運動變化不顯著。

(3)提出了簡化浮式風機變槳故障后剎車減速順槳優化控制方法可以較為明顯的緩解由于緊急順槳停機導致的荷載和彎矩的增加。

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Dynamic analysis of floating wind turbine in blade pitch fault followed by shutdown

DING Hongyan1,2,3, HAN Yanqing3, ZHANG Puyang1,2,3, LE Conghuan1,2,3

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Key Laboratory of Coast Civil Structure Safety (Tianjin University), Ministry of Education, Tianjin 300072, China; 3. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Floating wind turbine blade pitch fault followed by emergency shutdown may cause large loads fluctuation in wind turbine drivetrain, nacelle, tower, and support structures. Coupled non-linear aero-hydro-servo-elastic simulations of a submersible platform supported floating wind turbine were carried out for blade pitch fault cases over a range of environmental conditions. The loads and moments in low-speed shaft, nacelle, tow-top, tow-base and the motions of floating platform were investigated. The results show that loads and moments in the wind turbine system increase significantly in blade pitch fault followed by emergency shutdown condition comparing to the normal operation phase. However, the increases of the loads and moments are effectively remitted using the optimized control methods of blade pitch fault followed by high-speed shaft brake and low-speed feathering.

floating wind turbine; blade pitch fault; aero-hydro-servo-elastic simulations; control method

國家自然科學基金資助項目(51309179)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(13JCYBJC19100)；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃(14JCQNJC07000)

2016-04-11 修改稿收到日期：2016-08-25

丁紅巖 男，博士，教授，1963年生

張浦陽 男，博士，副教授，1978年生

TK83

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.08.020