風力發電機組分段塔架加阻技術研究

閔 睿 王瑞良 孫 勇 楊 翀 聶方正

（1.浙江運達風電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江省風力發電技術重點實驗室，浙江杭州 310012）

0 引言

隨著我國碳達峰、碳中和方針的制定，電力行業積極響應，風電行業迅速發展[1]，風力發電等清潔能源將逐步代替傳統的火力發電。要提高風力發電機組發電量，增加葉片長度和塔架高度是較好的技術手段，但塔架振蕩帶來的風險也隨之加大[2]。采用塔架加阻技術，可以有效降低振蕩帶來的危險性，但同時機組的極限載荷也會增大，導致風力發電機組設計難度增大，設計成本增加。

為解決這一兩難問題，本文提出了一種分段塔架加阻的方法，在額定風速附近保持加阻不變，風速越高，加阻效果越小，在切出風速附近去除塔架加阻。此方法能有效降低DLC1.4大風工況塔底合彎矩和輪轂合彎矩的極限載荷，起到降本增效的作用。

1 塔架加阻隨風速變化作用分析

1.1 塔架頻率濾波器

塔架頻率是風機塔架的固有頻率，如果塔架頻率與機組的其他模態頻率接近，如葉輪的轉動頻率，就會產生共振，進而影響風力發電機組的安全性[3]。為避免振蕩的發生，目前應用最多的方法是在變槳環控制器中加入塔架頻率濾波器[4]。

塔架頻率濾波器采用陷波濾波器，可以在塔架頻率點迅速衰減輸入信號，從而達到阻礙塔架頻率信號通過的作用[5]，其傳遞函數如下：

對于塔架頻率濾波器來說，ω1=ω2=塔架固有頻率，默認阻尼比ζ1=0.1，ζ2=0.3。

1.2 額定風速附近塔架濾波器的影響

在額定風速附近，不加塔架濾波器的階躍響應曲線如圖1所示。

圖1 額定風速附近不加塔架濾波器的階躍響應

額定風速附近不加塔架濾波器，階躍響應曲線振蕩明顯，振蕩頻率就是塔架頻率，調節時間長，100 s后才能達到穩定狀態，影響機組穩定性。

在額定風速附近，加塔架濾波器的階躍響應曲線如圖2所示。

圖2 額定風速附近加塔架濾波器的階躍響應

額定風速附近加塔架濾波器，振蕩頻率被濾波器過濾掉，階躍響應曲線平穩，調節時間較短，45 s即可達到穩定狀態。

對比得出，在額定風速附近，塔架濾波器對于機組的穩定性起到關鍵作用，不可去除。

1.3 切出風速附近塔架濾波器的影響

在切出風速附近，不加塔架濾波器的階躍響應曲線如圖3所示。

圖3 切出風速附近不加塔架濾波器的階躍響應

切出風速附近不加塔架濾波器，階躍響應曲線仍然平穩，調節時間很短，25 s即可達到穩定狀態。由此可見，此時塔架頻率對機組穩定性基本沒有影響，在切出風速附近可以去除塔架濾波器，因此分段加阻具備可行性。

2 分段加阻緩沖設計

分段加阻是指在塔架濾波器影響較大的額定風速附近保留塔架加阻，在塔架濾波器影響較小的切出風速附近去除塔架加阻。如果直接按風速或槳距角判斷是否開啟塔架濾波器，切換時的突變可能會造成振蕩，而且臨界值附近的頻繁切換會產生更大的載荷。因此，引入加阻緩沖的概念，增加變量DynamicFilterScheduleEnabled，為動態塔架濾波器查表使能變量，增加查表Dynamic FilterSchedule，如表1所示。

表1 動態塔架濾波器查表格式

DynamicFilterSchedule包含槳距角和塔架濾波器加阻限值兩個變量，通過查當前槳距角的值，輸出塔架濾波器加阻限值，幅度在0～1倍，限值1時維持初始塔架濾波器阻尼不變，限值減小，塔架濾波器阻尼也按比例減小。如槳距角為0.035 9 rad或以下時，按初始塔架濾波器阻尼ζ1=0.1，ζ2=0.3設置；槳距角為0.060 8 rad時，阻尼為ζ1=0.08，ζ2=0.24；槳距角為0.133 1 rad或以上時，阻尼ζ1=ζ2=0，塔架加阻去除。

用槳距角定位加阻限值要優于用風速定位：首先，風速測量準確性不如槳距角的測量，且有一定延遲；其次，變槳環的PID控制器參數也使用槳距角查表，與PID查表保持一致便于PID控制器調參與分段加阻的統一。

加入分段加阻緩沖后，塔架加阻的切換更平緩，不會激起振蕩，而且加阻限值可以根據不同機組設置適宜的數值，適用性更廣。

3 分段塔架加阻功能驗證

塔架加阻對機組極限載荷影響較大，DLC1.4工況輪轂和塔架的極限載荷一般增加8%～15%，除塔架加阻本身帶來的影響外，加阻后變槳環PID控制器參數的相應調整也會增大極限載荷。

以某機型作為驗證實例，該機型DLC1.4ca-2工況旋轉輪轂坐標系合彎矩Myz和塔底合彎矩Mxy有降載需求，在其他控制策略不變的情況下，僅采用分段塔架加阻方法降載。

塔架頻率ω1=ω2=1.18，阻尼ζ1=0.1，ζ2=0.3，調整前變槳環PID控制器參數查表如表2所示。

表2 調整前變槳環PID控制器參數查表

動態塔架濾波器查表按表1數據設置，將動態塔架濾波代入PID控制器重新調參，對大風下的參數進行相應調整，調整后的變槳環PID控制器參數如表3所示。

表3 調整后變槳環PID控制器參數查表

用新的控制器重新試跑DLC1.4ca-2工況，旋轉輪轂坐標系合彎矩Myz優化前后的對比如圖4所示。

圖4 旋轉輪轂Myz優化前后對比

黑線為優化前的旋轉輪轂Myz，灰線為應用分段塔架加阻優化后的旋轉輪轂Myz，極值降載約11.9%，效果明顯。

塔底合彎矩Mxy優化前后的對比如圖5所示。

圖5 塔底Mxy優化前后對比

黑線為優化前的塔底Mxy，灰線為應用分段塔架加阻優化后的塔底Mxy，降載約2.3%，效果不如旋轉輪轂Myz，但也有兩個點以上的降載效果。輪轂和塔架的降載具體數值如表4所示。

用其他機組做分段塔架加阻的功能測試，多數機組在DLC1.4大風工況下，塔架和輪轂有不同程度的降載效果，降載范圍在1.5%～12%，可以實現降本增效，驗證了分段塔架加阻的實用性和通用性。

4 結語

目前風力發電機組需要利用塔架加阻技術避免塔架頻率的共振，但加阻帶來了極限載荷大的困擾。本文針對這一兩難問題，結合塔架頻率在不同風速下對機組的影響，提出了分段塔架加阻的方法，并設計了加阻緩沖。本文技術手段能夠有效地降低在風速較大工況下輪轂和塔架的極限載荷，并具有通用性。

表4 輪轂和塔架優化前后對比表