風電機組抗臺風技術(shù)策略與應急管理

文 | 黃冬明，張鐵，曹人靖，張啟應，柳勝舉

風電機組抗臺風技術(shù)策略與應急管理

文 | 黃冬明，張鐵，曹人靖，張啟應，柳勝舉

臺風是生成于熱帶或副熱帶洋面且極速旋轉(zhuǎn)的大氣渦旋，其分類和衛(wèi)星圖片如表1和圖1所示。其中，超強臺風瞬間陣風風速超過51m/s，具有很強的破壞力，給風電機組的設(shè)計帶來極大挑戰(zhàn)。例如，2014年第9號超強臺風“威馬遜”，其陣風風速達到66.7 m/s，最低氣壓910hPa，橫掃菲律賓、中國和越南，使得國內(nèi)外知名廠家的風力發(fā)電場發(fā)生了風電機組倒塌、塔架屈曲折斷、葉片斷裂、機艙蓋掉落、塔架門破壞等嚴重事故，給業(yè)主和制造商造成極大損失。然而，多個風電場安裝的某廠家MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110抗臺風型風電機組卻無一發(fā)生倒塌、塔架破壞和葉片斷裂等事故，其優(yōu)異的抗臺性能和高可靠性在行業(yè)內(nèi)贏得了良好口碑。

因此，本文根據(jù)該廠家抗臺風型風電機組的實際應用經(jīng)驗，圍繞風電機組葉片、風電機組結(jié)構(gòu)、塔架基礎(chǔ)、抗臺風控制策略以及應急管理等幾個方面，闡述了抗臺風型風電機組的應用技術(shù)與應急管理模式，對抗臺型風電機組技術(shù)的發(fā)展具有一定的參考價值。

風電機組抗臺風技術(shù)

抗臺風型風電機組設(shè)計涉及機械工程、電氣工程、空氣動力學、固體力學、熱力學、流體力學、復合材料和先進制造等多學科領(lǐng)域。本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110為例，從葉片設(shè)計、風電機組結(jié)構(gòu)設(shè)計、塔架基礎(chǔ)、抗臺風控制策略、風電場應急管理模式等幾個方面，深入系統(tǒng)地介紹風電機組的抗臺風技術(shù)。

一、葉片設(shè)計

風電機組葉片是風電機組的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響風電機組的整機載荷大小、抗臺風性能和風電機組在超強臺風中的生存率。抗臺風型風電機組所用葉片，可基于以下幾個方面進行設(shè)計，以保證風電機組葉片的性能：

1. 考慮50年一遇極端風速和極端湍流特征值0.16的載荷進行葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計，確保葉片強度能夠滿足超強臺風生存的需要；

表1 臺風分級

圖1 臺風分類及其衛(wèi)星照

2. 風電機組葉片滿足抗臺風整體性能要求，采用抗臺風葉片，確保臺風中變槳伺服電機具備足夠剎車力矩，防止葉片槳距變化導致不可預見的后果；

3. 加強葉根鋪層厚度，提高葉根抗彎模量。加強壓力面梁帽鋪層厚度，提高葉片受壓面強度。采用FEM對葉片鋪層進行優(yōu)化設(shè)計，提高葉片強度和剛度，降低葉片重量等；如圖2和圖3所示為葉片截面結(jié)構(gòu)圖和葉片F(xiàn)EM仿真計算結(jié)果圖。

二、超緊湊機組結(jié)構(gòu)設(shè)計

與普通機型相比，超緊湊機組結(jié)構(gòu)設(shè)計具有得天獨厚的抗臺風性能，其優(yōu)勢如下：

1. 如圖4所示，超緊湊傳動鏈設(shè)計可以確保機艙重量減輕和載荷傳遞路徑短，載荷從風輪傳遞至主軸承、傳動鏈、偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)。機艙系統(tǒng)重心位于上風向，臺風工況中有利于抵消部分臺風產(chǎn)生的彎矩。

2. 超緊湊設(shè)計的機艙尺寸遠遠小于傳統(tǒng)雙饋機型尺寸，結(jié)合CFD技術(shù)對機艙外形進行空氣動力學優(yōu)化，可以大大減小機艙阻力，減小機組在超強臺風中的載荷，顯著提高機組抗臺風性能。如圖5所示為傳統(tǒng)雙饋機艙與超緊湊機艙結(jié)構(gòu)尺寸比較。

圖2 葉片截面結(jié)構(gòu)圖

圖3 葉片F(xiàn)EM仿真計算結(jié)果

圖4 SCD機型傳動鏈設(shè)計

三、兩葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計

與三葉片機組不同，兩葉片的設(shè)計在臺風工況下?lián)碛袩o可比擬的優(yōu)勢。兩葉片風電機組在臺風停機狀態(tài)下，機組風輪鎖定在水平位置，由于只有兩個葉片，風輪受到的面內(nèi)氣動力基本與地面垂直，且都處于同一水平面上，避免了縱向風切變的影響，這樣就可以極大降低由于葉片安裝角誤差、風切變、風輪傾角、風輪錐角等因素造成的氣動不平衡引起的側(cè)向推力，從而極大降低了塔筒、基礎(chǔ)承受的合彎矩。

圖5 傳統(tǒng)雙饋機型結(jié)構(gòu)與超緊湊機艙結(jié)構(gòu)比較

圖6 葉輪在不同方位角下塔底合彎矩變化圖

不同方位角下塔筒底部的傾覆力矩如圖6所示，可以看到，在方位角為90°時，即風輪處于水平狀態(tài)下，塔筒底部彎矩達到最小值。

四、塔架基礎(chǔ)設(shè)計

塔架基礎(chǔ)設(shè)計與施工質(zhì)量對保證風電機組良好的抗臺特性至關(guān)重要。針對超強臺風特性，塔架基礎(chǔ)設(shè)計嚴格按照IEC標準和GL風電機組認證導則進行。

1. 考慮50年一遇（3S）極限風速（高達70m/s），按照極端湍流強度特征值0.16和風切變指數(shù)0.2進行載荷計算；

2. 基于EC3對塔架系統(tǒng)進行設(shè)計，并采用FEM進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與校核，確保塔架的強度和剛度滿足使用要求，降低塔架重量。仿真計算包括塔架共振分析、塔架各段屈曲穩(wěn)定性分析、塔架門、焊縫分析和法蘭聯(lián)接螺栓分析等；

3. 塔架生產(chǎn)工藝要求嚴格控制質(zhì)量，確保塔架強度。塔架鋼板要求一級探傷且為正火交貨狀態(tài)。法蘭采用整體鍛造輾環(huán)工藝，嚴格遵守工藝操作規(guī)范，確保工藝質(zhì)量。對于關(guān)鍵位置焊縫需要進行無損探傷，從源頭上消除質(zhì)量風險。

4. 基礎(chǔ)設(shè)計與施工基于50年一遇極端載荷，采用國家防洪設(shè)計要求標準，對于軟地基或高水位地基采用樁基礎(chǔ)加強，從而保證基礎(chǔ)抗臺風強度要求。圖7所示為抗臺型風電機組多樁基礎(chǔ)。

五、抗臺風控制策略

針對中國南方沿海多臺風地區(qū)，考慮50年一遇（3S）極端陣風（風速達到70m/s）、極端湍流EWM模型、電網(wǎng)掉電工況和臺風陣風系數(shù)為1.4進行分析，確保在載荷計算階段全面考慮臺風特性。

（一）控制策略設(shè)計

MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110機組在超強臺風“威馬遜”中所表現(xiàn)出優(yōu)異性能和高可靠性，源于該風電機組先進的控制策略設(shè)計，其抗臺風控制模式如表2所示。

根據(jù)表2可知，其控制策略為：當臺風來臨時，控制系統(tǒng)開始動作，風電機組槳葉緊急順槳至91°并鎖定，機組處于停機狀態(tài)。風電機組偏航至設(shè)定角度，以槳葉最小面受力，葉片處于空氣制動狀態(tài)，葉輪處于自由狀態(tài)，通過程序控制釋放主軸剎車和系統(tǒng)液壓力，同時保證偏航剎車壓力不小于100Bar。抗臺風控制策略流程如圖8所示。

圖7 抗臺風型風電機組多樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

表2 風電機組抗臺風模式

（二）偏航對風策略

以MY1.5-77/82機組為例，使用Bladed軟件對機組進行仿真分析，采用Kaimal功率譜湍流模型，當葉片順槳至91°，風輪處于自由狀態(tài)時，臺風工況下的載荷分別如圖9和圖10所示（黑線，0°；紅線，90°；綠線，180；藍線，270°）。

由分析結(jié)果可知，機組偏航角度為0°和180°時，葉根合彎矩以及塔底的合彎矩相對于其他角度載荷較小。因此，風電機組抗臺風模式可采用正面對風或背面對風，以最大限度降低機組載荷，提高風電機組生存率。

（三）后備電源策略

對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的風電機組，如MY1.5-77/82，可以采用后備電源策略以確保偏航系統(tǒng)供電。后備電源策略方案如圖11所示，當臺風登陸，電網(wǎng)斷電以后，轉(zhuǎn)換開頭自動切換到后備電源，此時，偏航系統(tǒng)由后備電源供電，從而確保6小時內(nèi)偏航系統(tǒng)能夠始終工作，控制偏航誤差在±10°以內(nèi)。

圖8 抗臺風控制策略流程圖

同時，后備電源的使用也大大降低了機組載荷，提高了風電機組的抗臺風可靠性?；谏鲜鲚d荷分析結(jié)果和抗臺風控制模式，風電機組在臺風工況下停機的有利偏航角是180°或0°?？紤]在機艙內(nèi)配有偏航備用電源，能保證風電機組在電網(wǎng)掉電時，偏航系統(tǒng)連續(xù)工作6小時、控制系統(tǒng)工作7天，從而保證風電機組10分鐘平均偏航誤差在180±10°或0±10°內(nèi)，葉根合彎矩及塔底合彎矩的極限載荷均可大幅降低20%左右，Bladed仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。

（四）其他控制策略

為有效降低風電機組整體載荷，提高抗臺風性能和可靠性，也可以采用其他先進降載控制策略，包括傳動鏈加阻、塔架加阻、IPC、動態(tài)推力削減、臺風預估策略、極端陣風控制、Finepitch和Optimalpitch等。降載控制策略的應用，可有效地降低機組載荷，綜合提高風電機組在臺風工況下的發(fā)電量。

圖9 不同偏航角度葉根合彎矩對比

圖10 不同偏航角度塔底合彎矩對比

風電場應急管理

風電機組的葉片、結(jié)構(gòu)、控制策略等固然重要，但如果沒有科學合理的風電場抗臺風應急管理模式，抗臺風的效果也會大打折扣，因此，采用先進的風電場抗臺風應急管理模式，在臺風來臨之前做好充分的應對準備，可以更有效地應對超強臺風的襲擊。

風電場抗臺風應急管理模式如下所示：

1. 成立固定的抗臺風應急小組，以組織協(xié)調(diào)風電場抗臺風工作，小組成員分工明確，并且加強宣傳和教育、定時預報、定期進行應急演練等；

圖11 后備電源策略電氣設(shè)計方案

圖12 不同偏航角度葉根合彎矩對比

圖13 不同偏航角度塔底合彎矩對比

圖14 明陽風電場抗臺風管理模式

2. 在臺風來臨之前一天召開業(yè)主和應急小組抗臺風聯(lián)席會議，深入討論可能的緊急事故并制定相應預案，進行應急演練；

3. 臺風登陸前五小時，以1小時為間隔對風電場風電機組運行情況進行匯報。匯報內(nèi)容包括風速、各機組運行情況、進入臺風模式、進行應急演練及業(yè)主內(nèi)外電網(wǎng)和線路情況等；

4. 臺風登陸后每隔半小時進行匯報；

5. 臺風過后兩小時內(nèi)持續(xù)匯報風電場及各機組情況；

6. 若遇到緊急情況，馬上匯報給相關(guān)部門高層領(lǐng)導并啟動應急預案。

結(jié)論

在海上風電迅猛發(fā)展的當下，風電機組的抗臺風性能的提高已經(jīng)是一個必須應對的迫切要求，本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110為例，從葉片設(shè)計、機組結(jié)構(gòu)設(shè)計、塔架基礎(chǔ)設(shè)計、抗臺風控制策略以及風電場抗臺風應急管理等多個方面，系統(tǒng)地論述了風電機組的抗臺風技術(shù)及管理模式，這些機組在歷次臺風襲擊中所表現(xiàn)出的優(yōu)異的抗臺風性能及高可靠性，充分證明了這些技術(shù)及管理模式的實用性，為我國風電行業(yè)發(fā)展抗臺風技術(shù)提供了積極的參考意義。

（作者單位：黃冬明，張鐵：華南理工大學機械與汽車工程學院；曹人靖，張啟應，柳勝舉：廣東明陽風電產(chǎn)業(yè)集團有限公司）