海上大兆瓦風電機組抗臺風控制策略設計研究

(國電聯合動力技術有限公司，北京 100039)

0 引 言

我國風能資源儲量豐富，東海、南海海域具有風能資源優勢，適宜進行風能開發，建立在海邊或海上的風力發電系統占據了風力發電設備的相當比例。然而在這兩個海域臺風頻頻發生，而在臺風來臨之際，風機力學環境惡劣，超高的風力載荷導致葉片損毀嚴重、損毀比例高，為后期投入和檢修維護帶來極大挑戰。由于臺風的影響，我國海上風電裝機容量遠遠低于陸上風電裝機容量，因此，抗臺風是海邊以及海上風力發電系統面臨的一個巨大難題。

沿海和海上是臺風頻發地區，臺風對機組的危害包括兩個方面，一是風速超過設計極限，引起機組結構部件的損毀，包括葉片折斷、塔架倒塌、風機傾覆等，臺風來臨時，高壓輸電網會出現斷電或人為斷電的情況，使機組處于斷電狀態，偏航系統無法工作，機組受到巨大的外力沖擊，對機組結構強度是個極大的考驗；二是風向突變，機組在側向來風的情況下，對變槳執行機構和偏航執行機構的破壞。隨著機組設計功率的提高、塔筒高度和葉片長度的增加，臺風對機組的威脅也越來越大。

有關抗臺風的方法，整機廠商往往更多通過優化塔架結構、增強塔架或葉片強度等實現，少有整機廠商通過控制策略的主控保護措施使機組處于相對安全的位置。文中給出的海上風電機組抗臺風的控制方法，可使風電機組單機時刻保持主動性、對臺風的變化主動進行偏航動作以減小風機載荷，大大減小了臺風對風電機組的沖擊，且在風速儀、風向標失效時依然保持有效，適用于海上大型風電機組單機抗臺風控制。

1 海上大兆瓦抗臺風策略設計

1.1 策略概述

本風電機組抗臺風策略該模式分為預解纜、臺風兩個階段，模式的進退指令由中控人員通過SCADA系統遠程發出。在預解纜階段，機組首先收槳正常停機，判斷機組當前扭纜角度，根據機組狀態進行偏航解纜動作，將扭纜角度釋放360度以給下一階段調整偏航角度留出余量。待風機完成偏航解纜動作之后，中控人員給出臺風階段進入指令后，機組進入臺風階段偏航調整狀態，在整個臺風過程中，以臺風主風向為控制目標，不斷進行偏航調整，以求降低機組載荷。

1.2 抗臺風策略主運行狀態邏輯設計

海上兆瓦級抗臺風策略要求在中控系統給出“抗臺風模式”指令后，機組正常停機，隨后進入預解纜階段。在該階段，如果偏航扭纜角度超過改機組余量設計扭纜角度，且滿足解纜操作的其他條件，則進行一次解纜動作，解纜動作需連續進行360度，隨后機組偏航系統正常對風。抗臺風模式指令解除(由中控室給出)，機組恢復至待機模式，待無其他故障信息，并滿足風速、溫度等機組啟動條件后，機組自動正常啟動，抗臺風策略運行狀態機過程如圖1所示。

當風電機組進入抗臺風模式后，機組首先正常停機，然后機組可進入追風偏航狀態，在整個臺風過程中，以臺風主風向為控制目標，不斷進行偏航調整，以求降低臺風對機組的沖擊。特殊情況應對：進入臺風模式后，機組進行正常停機操作，此時若機組處于其他更高級別停機流程中，停機過程不會重復觸發，繼續執行抗臺模式下的狀態機。

圖1 機組運行狀態機

1.3 抗臺風模式執行流程設計

在進入抗臺風模式后的任何時刻，若收到模式解除指令，則風電機組復位，轉入待機模式運行。

上述模式中的各階段的進退指令可由中控人員通過SCADA系統遠程發出控制。中控人員主要是根據氣象部門數據及風電場氣象預測系統決定，通過SCADA系統手動給出。該模式優選分為兩個階段，即STEP1-預解纜階段和STEP2-臺風階段。抗臺風模式STEP1指令給出后，機組進入預解纜階段，在接到STEP2指令后則進入臺風階段。在兩個階段的任何時刻，若收到模式解除指令，則機組復位后可轉入待機模式運行。抗臺風模式執行流程及功能圖如圖2所示。

本策略偏航對風動作的邏輯條件包括：Nmin平均風速超過預先設定的風速閾值；以及T1時間內平均偏航誤差超過預先設置的臺風風況下的對風誤差閾值γ。

圖2 抗臺風模式主要流程及功能圖

具體地，上述偏航對風動作的邏輯條件包括：N分鐘平均風速超過預先設定的風速閾值；以及T1時間內平均偏航誤差超過預先設置的臺風風況下的對風誤差閾值γ。即滿足上述條件后，啟動偏航對風動作。根據臺風區相關數據及文獻發現，在臺風來臨24小時內，上述邏輯條件的默認設置值為：5 min平均風速超過6 m/s；以及30 s內平均偏航誤差超過對風誤差閾值30度。此時的γ值是臺風風況下的對風偏差值，不同于正常運行時偏航對風的閾值誤差β。

1.4 極端情況處理

考慮到在臺風模式下，由于風況極端，瞬時風速可以達到40m/s以上，常有風向標、風速儀這一類風況傳感器被臺風摧毀的情況發生。為了應對這種極端情況，本策略特設計使用SCADA系統將當前風電機組相鄰機位(優選兩個機位)風向平均值傳給本臺機位，作為本臺機位在風向標失靈的情況的參考偏航風向。具體互動過程如下：

(1)當前機組檢測到風向標故障，同時給SCADA系統傳出風況傳感器故障信息Alarm1；

(2)SCADA收到Alarm1時，取故障機位的相鄰兩個機位的絕對風向，做移動平均值計算，并間隔一定時間傳給故障機位作為風向參考；所述時間根據機位排布位置及距離情況設定，初始默認3 s；

(3)故障機位收的到SCADA傳來的絕對風向，以此作為參考，繼續執行抗臺偏航指令。

風電機組在遇到極強臺風將風向標等測風器件摧毀時，風機能夠借助升壓站場級中央監控系統獲得相鄰機位的平均風向作為控制參考，繼續執行偏航抗臺風動作，體現出本策略的智能控制特點。

按照目前大部分機組安全鏈設計思路，如果安全鏈模塊動作，將會在電氣回路上切斷相關兩個繼電器。其中安全鏈回路串聯入偏航系統回路，即安全鏈動作后，偏航系統將不能繼續執行偏航動作。

但在臺風模式下，需要偏航系統在偏航自身無故障的情況下，繼續接受偏航指令動作，正常完成解纜、對風等一系列動作。為了滿足臺風模式對偏航系統的要求，需要對目前的安全鏈系統進行改動，在其輸入端引入臺風模式命令信號，直接并聯控制信號輸出端。該信號在機組進入臺風模式后，如偏航系統限位開關未觸發安全鏈，則由主控系統置為高電平，從而使在臺風模式下，即使安全鏈斷開，只要偏航限位開關未被觸發，機組依然可以進行偏航動作。

2 抗臺風策略效果測試

對文中給出的海上大兆瓦機組的抗臺風測略在Bladed軟件中進行臺風環境下的測試， 如圖3

所示，是模擬在35米/秒的強臺風風速下啟動抗臺風模式時風機所受載荷對比。從圖中可以看出，相比沒有抗臺控制策略而言，在啟動抗臺風策略進行主動偏航控制調整時，機組所受的載荷能夠減小30%～50%。進一步地，如果在臺風強度更大或者方向變化更大的情況下，本策略能夠對機組起到明顯的主動保護效果。

圖3 抗臺風模式下機組降載效果對比

3 結束語

圖4 具有抗臺風策略的某海上風電場實物圖

文中給出一種海上大兆瓦抗臺風主動動作的控制策略。該策略主要應用于臺風來臨前的主動抵御，風機可以通過左右偏航調整，時刻保持正對風向。將臺風對風電機組葉片及機身的沖擊降到最小，保證風電機組不被臺風摧毀或由于臺風減少使用壽命，大大減少了臺風對風電場投資帶來的經濟損失。