海上風電機組荷載分析及控制研究

華銳風電科技（集團）股份有限公司 ■ 何榮光 劉作輝

0 引言

經(jīng)過多年的快速發(fā)展，我國風電新增和累計并網(wǎng)容量均已持續(xù)領先全球市場，但行業(yè)發(fā)展亦面臨陸上待開發(fā)的優(yōu)良風資源正逐步枯竭和棄風限電等困境。海上風電成為突破陸上風電發(fā)展困境的關鍵點。海上風資源豐富、平均風速高、湍流度小、風剪切小、主導風向穩(wěn)定，風電場建設不占用日益緊缺的土地資源、對環(huán)境影響較小、適合大規(guī)模開發(fā)，且距離能源緊張的負荷中心近，海上風電必定成為未來風電行業(yè)發(fā)展的趨勢。當今我國乃至全球已建成的海上風電場多為近海風電場，相比近海，深遠海域范圍更廣，風資源更豐富，風速更穩(wěn)定，因此，深遠海域風電是海上風電的未來。但由于海上風電機組面臨復雜多變的環(huán)境和大型化發(fā)展的趨勢，對整機的荷載控制策略提出了更高的要求。

1 荷載分析

面對日益緊張的風資源，陸上整機設計正趨向大功率、長葉片、高塔筒、輕量化發(fā)展。設計時主要考慮的荷載源有空氣動力荷載、慣性荷載、重力荷載，以及因剎車、偏航、變槳等控制動作導致的運行荷載。其中，空氣動力荷載是最主要的荷載源。

因為資源的有限性和技術的發(fā)展，風資源的索取從陸地向大海、由近海向深遠海域發(fā)展。在此過程中，風電機組的基礎結(jié)構(gòu)形式依次變化為：陸地基礎、樁式或?qū)Ч芗芑A、漂浮式基礎，相應的造價和技術難度越來越高，承受的荷載也越來越復雜。基礎是海上風電機組與陸上風電機組在結(jié)構(gòu)上的最大區(qū)別。

海水運動的主要形式有波浪、潮汐和洋流。其中，波浪是海水因海風和氣壓變化等因素導致的周期性起伏運動；潮汐是海水因日月引力變化導致的周期性漲落現(xiàn)象；洋流又稱海流，主要是由于盛行風、海水密度差異及地轉(zhuǎn)偏向力導致的海水流動。這些海水運動及海冰或船舶沖擊等因素交織在一起作用于海上風電機組基礎，再結(jié)合主要作用于風力機葉輪上的空氣動力，相比于陸上風電機組，海上風電機組所面臨的環(huán)境復雜多樣，如圖1所示。

海上風電機組所承受的荷載復雜多變，除上述4種形式外，風電機組在設計時還要考慮波浪荷載、潮汐荷載、海流荷載和浮冰荷載。下文對海上風電機組的幾個主要荷載進行分析。

圖1 海上機組的復雜環(huán)境

1.1 空氣動力荷載

風電機組承受的風荷載主要由葉輪荷載Fr和塔筒風荷載Fa組成。前者依據(jù)動量定理和葉輪制動盤假設[1]，得到葉輪的推力公式為：

式中，ρ為空氣密度；S為葉輪掃略面積；v為前方遠處來流風速；a為軸向入流因子。

風吹過塔筒時，會產(chǎn)生阻尼力，其風荷載公式為：

式中，St為風投影到塔筒的面積；vt為塔筒風速；Cd為塔筒阻力系數(shù)。

1.2 海流荷載

海流是海水大范圍內(nèi)相對穩(wěn)定的流動。海流流經(jīng)海上風電機組基礎時，沿流動方向會產(chǎn)生阻尼力，相應的荷載公式為：

式中，ρw為水流密度；Sw為水流流經(jīng)基礎的投影面積；vw為基礎處海流速度；Cw為基礎對水流的阻力系數(shù)。

1.3 波浪荷載

波浪是海水在海風和氣壓變化等因素作用下形成的周期性起伏運動，屬于隨機平穩(wěn)過程，常用Pierson-Moskowitz(PM)波譜來描述。表面波譜密度公式為：

式中，Hs為有效波長；fP為峰值頻率，與風速相關；f為頻率。

依據(jù)風電機組基礎直徑D與波長L的比值進行分類。

1)當比值小于0.2時，波浪荷載主要考慮粘滯摩擦力和慣性荷載，可用莫里森公式進行計算：

式中，F(xiàn)m為單位部件長度上的力；Cf為摩擦力系數(shù)；Cm為慣性力系數(shù)；Dm為部件的直徑；Sm為部件的截面面積；U為部件相關流體的速度；為部件相關流體的加速度。

2)當比值大于0.2時，風電機組基礎會影響到波浪，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，此時莫里森公式將不再適用，一般會基于線性波理論采用sink-source方法或流體有限元的數(shù)值計算方法。

風電機組進行荷載分析的過程，亦是進行整機動力學研究的過程。風電機組運行過程是一個多物理場、多因素相互耦合的過程，涉及到風電場風速特性、空氣動力學、波浪力學、結(jié)構(gòu)動力學、發(fā)電機及控制等因素，它們的耦合相互作用，隨著單機容量的增大變得更加顯著[2]。

2 控制策略

2.1 基本控制策略

本文以某TLP式漂浮式風電機組為研究對象，是葉輪直徑為155 m的6 MW雙饋變速恒頻風電機組，適用于深遠海域風電項目。

Bladed 4.7版本包含水動力荷載計算分析模塊，本文用該軟件建立風電機組的仿真模型。其中，漂浮式基礎是用6自由度(橫蕩、縱蕩、艏搖、橫搖、縱搖、垂蕩)的質(zhì)量節(jié)點和錨鏈模塊組合建模，流體動力模型采用莫里森方程。TLP式漂浮式風電機組的錨鏈為張緊式狀態(tài)，橫搖、縱搖和垂蕩運動較小，橫蕩、縱蕩、艏搖運動較大。因為橫蕩和縱蕩運動會加劇相對入流風速的波動，引起較高的諧振響應，為此，漂浮式風電機組的控制設計需要考慮更多振動因素，以加強風電機組的安全性設計。

圖2為本文研究的漂浮式風電機組的功率特性曲線，圖3為該機型設計的控制策略框圖。從圖中可知，風電機組的主要執(zhí)行機構(gòu)為變頻器轉(zhuǎn)矩指令執(zhí)行機構(gòu)和變槳系統(tǒng)槳距角指令執(zhí)行機構(gòu)，兩者均可控制風電機組的功率輸出。為避免控制耦合引起震蕩，采取基本策略為：風電機組滿發(fā)前一般設置槳距角到最佳角度，主要通過轉(zhuǎn)矩指令控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行在工作范圍內(nèi)，同時跟蹤最佳葉尖速比運行，使得風電機組吸收風能最大。圖2中的A、B、C 3區(qū)為轉(zhuǎn)矩控制區(qū)域，其中，A和C主要是由轉(zhuǎn)矩比例積分(PI)控制器進行恒轉(zhuǎn)速控制，分別控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行在最小并網(wǎng)轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)速，從而使風電機組運行在工作區(qū)間內(nèi)，確保風電機組不頻繁脫并網(wǎng)和超速運行；而B區(qū)由變轉(zhuǎn)速控制，用于跟蹤最佳葉尖速比。風速足夠大時，風電機組輸出功率達到額定，此時轉(zhuǎn)矩控制一般采用恒轉(zhuǎn)矩或恒功率策略，為保護電氣和機械部件，采用變槳控制作為主要控制手段，用于限制風能吸收和功率輸出，對應圖2中的D區(qū)。在額定功率附近，一般采用功率比例積分(PI)控制器或轉(zhuǎn)矩變槳的偏置補償(Bias)算法進行解耦控制。

圖2 機組的功率特性曲線

圖3 控制策略框圖

在轉(zhuǎn)矩控制時，變槳采用FinePitch控制，即依據(jù)輸出功率與期望槳距角的一維關系表進行查表控制。該算法在小風時可以提高風電機組的功率輸出，在額定功率附近時，主要消減葉輪推力，降低風電機組荷載。轉(zhuǎn)矩控制同時附加了限制在3%額定轉(zhuǎn)矩內(nèi)的驅(qū)動鏈加阻轉(zhuǎn)矩，該轉(zhuǎn)矩可以明顯提高驅(qū)動鏈阻尼，降低齒輪箱疲勞荷載(具體仿真分析見下文 2.2)。

在變槳控制時，轉(zhuǎn)矩采用恒轉(zhuǎn)矩策略，即轉(zhuǎn)矩指令設置為額定轉(zhuǎn)矩+驅(qū)動鏈加阻轉(zhuǎn)矩。風電機組功率輸出限制主要靠統(tǒng)一變槳(CPC)PI控制器進行，該PI控制器基于實際槳距角和估測的湍流度進行二維插值得到，涵蓋了非線性和湍流因素。同時，為變槳控制附加了多種優(yōu)化策略，如為減弱塔筒振動的塔筒前后加阻控制(具體分析見下文2.3)，為防止過度變槳和超速啟用動態(tài)FinePitch邏輯(用實際濾波槳距角減動態(tài)偏移量作期望角度下限)；為識別極端陣風工況而變槳降載，利用測量的風速、轉(zhuǎn)速、功率等變量估測實際風速，同時結(jié)合多普勒激光測風儀測量前方風速，提前預警應對。最后，通過測量每個葉片的葉根荷載，利用旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換為靜止坐標系的Park變換，設計適當?shù)莫氉宰儤?IPC)PI控制器，輸出的微變槳距角分別附加到每個葉片的期望槳距角上，可有效降低風電機組的不平衡荷載，仿真分析見下文2.4，所涉及的靜止輪轂荷載和旋轉(zhuǎn)輪轂荷載坐標系定義如圖4、圖5所示。

圖4 靜止輪轂坐標系定義

圖5 旋轉(zhuǎn)輪轂坐標系定

2.2 驅(qū)動鏈加阻控制

雙饋風電機組的傳動鏈阻尼普遍較低，易導致齒輪箱的疲勞荷載過大，可以通過設計適當?shù)南鹉z墊或耦合器來引入額外的機械阻尼。但要想提供足夠的阻尼，相應的成本會較高。而驅(qū)動鏈加阻控制是在不增加任何物理設備的基礎上，通過帶通濾波器處理發(fā)電機轉(zhuǎn)速信號提取驅(qū)動鏈相關頻率信號，得到轉(zhuǎn)矩附加值，增加到轉(zhuǎn)矩指令中，從而提高驅(qū)動鏈阻尼[1]。

本文仿真了一系列湍流風工況，對比驅(qū)動鏈加阻前后的輪轂荷載，其中，15 m/s湍流風工況結(jié)果如圖6所示。旋轉(zhuǎn)輪轂Mx荷載波動確定減弱，其他工況結(jié)論一致。同時結(jié)合功率譜分析，確定驅(qū)動鏈頻率的能量峰值減小，說明驅(qū)動鏈加阻控制可以有效降低齒輪箱的疲勞荷載。

2.3 塔架加阻控制

圖6 驅(qū)動鏈加阻前后旋轉(zhuǎn)輪轂Mx荷載

塔架的前后振動是很弱的阻尼振蕩，展現(xiàn)了很強的諧振響應，即使在風速或海流很小時也可以保持較高的水平。塔架的動態(tài)特性可以用簡單的二階諧波阻尼系統(tǒng)進行近似描述[3]：

式中，x為塔架的位移；F代表葉輪的推力；ΔF為由變槳動作產(chǎn)生的附加力；M為塔架的模態(tài)質(zhì)量；K為模態(tài)的剛度系數(shù)；D為塔架的阻尼，其值較小。

如果ΔF與-x成正比，則可以明顯增加有效阻尼，減弱振蕩。附加力dF為：

為了得到精確的附加阻尼DP，由推力對槳距角β偏微，則：

上述兩個公式聯(lián)立，可得：

在實際控制中，變槳PI控制器主要應用的是增量式PI控制器，可以直接用塔筒前后振動加速度值，通過上述計算公式獲得變槳加阻增量，在變槳PI控制的基礎上附加上述變槳指令，可以有效提高葉輪氣動阻尼。

本文仿真了一系列湍流風工況，對比應用塔筒加阻算法前后風電機組的振動和荷載情況，其中，某工況的機艙位移對比如圖7所示，可以確定機艙前后位移變化減弱，其他工況結(jié)論相近。綜合說明塔筒加阻控制可以提高氣動阻尼，減少塔筒振動，降低塔筒和基礎的荷載。

圖7 塔筒加阻前后的機艙位移

2.4 獨自變槳控制

葉輪不平衡、風剪切和偏航偏差等因素均會導致風電機組的葉輪產(chǎn)生不平衡荷載，頻譜能量主要表現(xiàn)為葉輪轉(zhuǎn)頻的1倍頻(1P)；且風輪直徑越大，不平衡荷載越明顯。通過測量每個葉片的葉根荷載，利用獨自變槳控制算法微調(diào)每個葉片的槳距角，可有效減少不均衡荷載。圖8為IPC控制框圖。

圖8 IPC控制框圖

通過模擬仿真，對比CPC和IPC的控制效果，圖9為葉片槳距角，圖10為靜止輪轂MY荷載的對比，圖11為靜止輪轂MZ荷載的對比。

2.5 動態(tài)停泊控制

圖9 CPC和IPC控制的槳距角

圖10 靜止輪轂MY荷載

圖11 靜止輪轂MZ荷載

陸上風電機組停泊時，機組的葉片處于順槳位置，葉輪靜止。而漂浮式風電機組停泊時，會因波浪、水流等因素產(chǎn)生搖擺運動，因此，本文提出動態(tài)停泊控制，即風電機組在某些工況下的停泊狀態(tài)是控制槳距角使葉輪低速運行，此時僅啟動變槳PI控制器和塔筒加阻控制算法，即可增加停泊時的氣動阻尼，減弱漂浮式風電機組的搖擺幅度。所以，相比于陸上風電機組，深海漂浮式風電機組的塔底和塔頂均要配置振動傳感器及陀螺儀，進行風電機組姿態(tài)實時監(jiān)控，并依據(jù)姿態(tài)情況，確定停泊模式。

3 結(jié)論

本文簡述了復雜的海上環(huán)境，對比了海上風電機組與陸上風電機組荷載源的差異，并分析了海上機組的主要荷載；以某漂浮式風電機組為研究對象，介紹了為該機組設計的控制策略，并重點針對驅(qū)動鏈加阻、塔筒加阻和獨自變槳等控制算法進行了仿真模擬，驗證結(jié)果表明可有效降低風電機組荷載；最后，提出漂浮式風電機組應加強姿態(tài)監(jiān)控和停泊控制。

[1]Tony Burton, et al[著 ], 武鑫 , 等 [譯].風能技術 (第二版)[M].北京: 科學出版社, 2014.

[2]王磊.海上風電機組系統(tǒng)動力學建模及仿真分析研究[D].重慶: 重慶大學, 2011.

[3]楊明明, 蘇麗營, 辛理夫, 等.海上風力發(fā)電機組載荷控制方法研究[J].電器工業(yè), 2014(1).