偏航保護策略對MW級風力發(fā)電機組載荷影響

楊偉新，宋 鵬，陳 雷，劉曉輝，李成晨

(1.華北電力科學研究院有限責任公司，北京 100004) (2.魯能新能源(集團)有限公司河北分公司，河北 張家口 075000) (3.許昌許繼風電科技有限公司，河南 許昌 461000)

偏航系統(tǒng)是風電機組的關(guān)鍵系統(tǒng)，在整個風電機組結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)中起著相當重要的作用[1]，偏航電機在伺服系統(tǒng)驅(qū)動下使風輪軸向始終對風，保持機組獲得最大迎風面從而提高機組發(fā)電效率[2]。

目前國內(nèi)外很多學者采用不同方法對偏航系統(tǒng)進行分析計算，如Malllawi[3]對風力發(fā)電機組風輪、塔架在偏航動作過程中的載荷進行優(yōu)化，有效降低了因偏航運動導致的左右振動；紀斌等[4]建立了柔性多體塔架-葉片耦合結(jié)構(gòu)動力學模型，獲得了誘導因子時程曲線和氣動相應均值；徐佳妮等[5]提出基于最佳葉尖速比的功率趨勢分析方法，確定了偏航零點偏移角。

本文采用風電載荷計算常用的成熟軟件Bladed模擬不同機組狀態(tài)下偏航角度偏差對機組載荷的影響，從而獲得機組不同狀態(tài)下極限載荷位置，根據(jù)仿真和理論分析結(jié)果制定合理的偏航保護策略，有效降低機組的極限載荷，對風電機組平穩(wěn)運行有一定現(xiàn)實意義。

1 偏航角度偏差對機組載荷的影響

1.1 偏航角度偏差Bladed仿真計算

本文以某公司2 MW風力發(fā)電機組為研究對象，機組的基本參數(shù)見表1，采用業(yè)內(nèi)具有極高權(quán)威性和被廣泛應用的Bladed軟件開展仿真試驗研究。

表1 某風機的基本參數(shù)

仿真試驗研究偏航角度偏差對機組運行和停機兩種狀態(tài)的影響，以確定不同偏航角度偏差對機組載荷的影響。

試驗1：風機狀態(tài)為運行發(fā)電狀態(tài)，分別采用GL2010認證指南中規(guī)定的極端風向變化風模型(ECD)和湍流風模型(NTM)疊加持續(xù)偏航，模擬機組載荷和振動隨偏航角度偏差的變化。ECD模型風速和風向變化如圖1所示，NTM模型風速變化如圖2(a)所示，持續(xù)偏航偏差如圖2(b)所示。仿真試驗組合方案為：ECD風模型的初始風速分別為7,9,11,15 m/s，NTM風模型的平均風速為12 m/s，湍流風種子數(shù)量為10個，分別以最大正向偏航速度0.4 (°)/s從0°正向持續(xù)偏航至330°，以最大負向偏航速度-0.4 (°)/s負向持續(xù)偏航至-330°，如圖2(b)所示，以10個湍流風種子下載荷均值作為統(tǒng)計代表值。

圖1 ECD風模型風速風向示意

圖2 NTM風模型風速變化及機組持續(xù)偏航示意

試驗2：風機狀態(tài)分別為投入風輪鎖停機和未投風輪鎖駐機狀態(tài)，采用一年一遇極大湍流風模型(EWM)模擬。仿真試驗方案為：偏航角度偏差為0°,30°,…,330°共計12個位置，10 min平均風速為30 m/s，風切變系數(shù)為0.11，縱向湍流強度為11%。仿真過程中保持機艙位置不變，以初始風向角作為偏航角度偏差。

1.2 偏航角度偏差對機組載荷影響分析

因相對位置關(guān)系，在Bladed仿真軟件中定義正風向與負的偏航角度偏差相對應，負風向與正的偏航角度偏差相對應，如圖3所示。試驗1中發(fā)電狀態(tài)+ECD風模型仿真結(jié)果如圖4～7所示，其中風向變化過程中槳距角變化如圖4所示，葉根y方向彎矩MBy的變化如圖5所示，偏航軸承y方向的彎矩MYy的變化如圖6所示。結(jié)合圖3和圖5可知，同一風速下隨偏航角度偏差增加,葉根彎矩有所降低，負向偏航角度偏差情況下降低較明顯；結(jié)合圖3和圖6可知，偏航角度偏差對偏航軸承彎矩影響比較大，偏航軸承彎矩隨負偏航角度的增加而增加，隨正偏航誤差的增加而反向增加，在40°～90°偏航角度間出現(xiàn)極限載荷，仿真中7,9,11,15 m/s風速出現(xiàn)偏航軸承極限載荷對應的偏航角度偏差分別在100°、80°、60°、40°附近，隨風速的增加出現(xiàn)偏航軸承極限載荷對應的偏航角度偏差值有所降低。

圖6 偏航軸承y方向彎矩MYy時間序列

圖5 葉根y方向彎矩MBy時間序列

圖4 槳距角時間序列

圖3 偏航角度偏差時間序列

試驗1中發(fā)電狀態(tài)+NTM風模型仿真結(jié)果如7所示，圖中P代表正風向，N代表負風向。由圖可知，葉根y方向彎矩MBy隨偏航角度偏差的增加而降低，在60°和300°附近出現(xiàn)極限載荷，偏航軸承y方向彎矩MYy隨偏航角度偏差的變化呈周期性變化，在140°～220°范圍內(nèi)出現(xiàn)極限載荷。

試驗2中機組風輪鎖鎖定或者不鎖定狀態(tài)+EWM風模型仿真結(jié)果如圖8所示，圖中比值為當前偏航角度偏差下各部件載荷與各偏航角度偏差下載荷均值的比值。由圖可知，風輪鎖定狀態(tài)下葉根和偏航軸承載荷高于未鎖定狀態(tài)，在偏航角度偏差為40°和300°附近出現(xiàn)極限載荷，在150°～250°之間載荷較小，因此當極限風速經(jīng)過時可以將機艙偏離主風向150°～250°，有利于降低機組載荷。

圖8 EWM+停機狀態(tài)下機組載荷時序

試驗2中機組風輪鎖鎖定或者不鎖定狀態(tài)+NWP風模型仿真結(jié)果如圖9所示， NWP風模型載荷仿真結(jié)論與EWM風模型下仿真趨勢相近。

圖9 NWP+停機狀態(tài)下機組載荷時序

圖7 NTM 風模型下持續(xù)偏航角度偏差下 葉根和偏航軸承彎矩時序

2 偏航保護策略下機組載荷情況

風電機組的偏航系統(tǒng)決定機組的對風情況，較

大的偏航誤差對機組發(fā)電量影響較大[6]，而過于嚴格的偏航保護限值會導致偏航系統(tǒng)頻繁動作，機組頻繁啟停機而影響機組追風。綜合考慮機組發(fā)電狀態(tài)偏航誤差對載荷的影響及現(xiàn)場風向變化情況，制定兩種偏航保護策略：策略1，設(shè)定短期(30 s)偏航保護限值為30°和瞬時(3 s)偏航保護限值為45°，當30 s內(nèi)偏航角度偏差均值達到30°或3 s內(nèi)偏航角度偏差均值達到45°時，機組啟用偏航保護策略按照既定停機策略停機，以避免機組出現(xiàn)大的偏航角度偏差引起極限載荷；策略2，與策略1一樣設(shè)置短期(30 s)和瞬時(3 s)的偏航保護限值，考慮到風速越小風向變化越大，設(shè)置偏航保護限值隨風速增加而降低，即風速分別為3 m/s、10 m/s和30 m/s時對應的短期偏航限值依次為50°、40°和30°，對應的瞬時偏航限值依次為70°、60°和50°，當偏航角度偏差達到設(shè)定要求時機組啟用偏航保護策略，按照既定停機策略停機。

在NTM風模型下分別對策略1和策略2下機組載荷情況進行仿真，并與無保護策略進行對比，其中葉根、輪轂中心和偏航軸承載荷對比結(jié)果分別如圖10～12所示。由圖可知，與無保護策略相比，啟用偏航保護策略1后機組葉根MB、輪轂中心Myz和偏航軸承MY的極限載荷分別降低約16.3%、32.2%、22.0%，啟用偏航保護策略2后分別降低約16.0%、32.2%、22.0%。由此可見，啟用偏航保護策略有效降低了偏航偏差引起的極端載荷。

圖10 葉根彎矩MB對比情況

圖11 輪轂彎矩Myz對比情況

圖12 偏航軸承MY對比情況

3 偏航保護過程理論分析

偏航保護策略驗算采用與實際更接近的NTM風模型，理論分析中采用ECD風模型可以充分排除風速和風向不確定性對載荷的影響，圖13為在偏航保護策略開啟前提下葉根MB和葉片槳距角的時間歷程，A點為ECD風模型陣風開始時刻，C點為陣風結(jié)束時刻，B點為偏航保護策略開始停機時刻，D點為停機過程中任一時刻。

圖13 葉根MB和槳距角時間歷程

從圖13中可以看出，機組在觸發(fā)偏航保護策略停機過程中葉片彎矩明顯下降且出現(xiàn)正、負向波動，該波動對機組較為不利，會引起機組凈空降低、塔架推力疲勞增加等，需要對該載荷情況進行深入分析，以降低波動幅值。

圖14 偏航過程示意圖

圖15 負偏航角度偏差停機過程葉素氣流示意圖

由速度三角合成方法可知：

(1)

由三角函數(shù)關(guān)系確定入流角D=α+β， 因此入流角D為：

(2)

式中：ω為風輪轉(zhuǎn)速；R為葉素位置處風輪半徑；α為葉素攻角；β為槳距角；φ為偏航角度偏差。

停機過程中隨著槳距角β的增加，導致葉素攻角α進一步減小，直至到0°或者負角度。葉素升力系數(shù)Cl、阻力系數(shù)Cd、扭力系數(shù)Cm隨葉素攻角變化情況如圖16所示，當攻角為負角度時，葉素處正、負壓區(qū)與原來相反，即圖13中葉根彎矩MB為負。隨著風速和風向的增加導致葉素攻角增加，如果葉素攻角的增加量大于停機變槳導致的葉素攻角降低量，則葉片的正、負壓區(qū)的狀態(tài)與原來保持一致，圖13中葉根彎矩MB呈正方向，因此在停機、風加速過程中葉片的葉根彎矩MB正負交替，與正偏航角度偏差停機過程一致。

圖16 葉素升阻系數(shù)隨攻角變化

根據(jù)槳距角、攻角和偏航角度偏差間的關(guān)系[7]，在大風時應設(shè)置較小的偏航保護限值，小風時應設(shè)置較大的偏航保護限值，以有效降低機組的載荷波動。

4 結(jié)論

本文對不同湍流風模型、機組運行狀態(tài)下機組載荷隨偏航角度偏差的變化趨勢進行了仿真分析，研究了葉根、輪轂和塔頂載荷與偏航角度偏差的相關(guān)性，獲得了極限載荷的偏航角度偏差范圍及較低載荷的偏航角度偏差范圍，提出了相關(guān)偏航保護策略，并對偏航保護策略進行了理論分析計算，得到結(jié)論如下：

1)通過對不同風模型下載荷仿真分析發(fā)現(xiàn)，葉根彎矩和偏航軸承彎矩分別在60°/300°、140°～220°時出現(xiàn)極限載荷，在機組待機或風輪鎖定情況下，偏航角度偏差為40°或300°附近會出現(xiàn)葉根和偏航軸承極限彎矩載荷，在150°～250°載荷較小，因此當經(jīng)過機組風的風向極端變化時，可以將機艙偏向風向150°～250°，有利于降低機組載荷。

2)根據(jù)機組極限載荷與偏航角度偏差的相關(guān)性確定偏航保護策略的保護限值，避免機組偏航到極端載荷對應的偏航角度；通過對偏航角度偏差限值觸發(fā)停機過程的理論分析，結(jié)合槳距角、攻角和偏航偏差角間的關(guān)系，確定在大風過程中設(shè)置較小的偏航保護限值，小風過程中設(shè)置較大的偏航保護限值，以有效降低因攻角的正、負向移動導致的疲勞載荷波動。