文 | 文茂詩，韓花麗，楊微
兆瓦級風電機組在緊急停機時，通常會采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的停機邏輯，但此邏輯將導致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊，在GL2010 規(guī)范的DLC1.5、DLC1.6 工況中葉根揮舞方向彎矩、塔底前后方向彎矩就經(jīng)常出現(xiàn)極限載荷，葉片越長該問題尤為突出。
本文采用海裝某2.0MW 機組模型，以GL2010 規(guī)范的DLC1.5 工況為例，用GH Bladed 軟件進行模擬仿真，對停機過程中的載荷進行分析，并提出了2 種優(yōu)化的停機方案，通過仿真后與原載荷進行了對比。
數(shù)據(jù)分析
一、沖擊載荷
按GL2010 規(guī)范要求，DLC1.5 工況需要考慮風電機組從切入風速到切出風速范圍內(nèi)，遭遇一年一遇的極端陣風(EOG1)，同時要求在陣風的開始時刻、陣風的最低風速時刻、陣風的最高風速時刻以及陣風加速度最大時發(fā)生電網(wǎng)掉電。通常2.0MW 機組在1.2 倍額定風速附近，并在陣風加速度最大或陣風風速最大時發(fā)生電網(wǎng)掉電最容易產(chǎn)生葉片揮舞彎矩和塔底傾覆彎矩的極值，因此本文以該工況進行分析。
如圖1、圖2、圖3 所示，為一DLC1.5 工況的仿真結(jié)果（橫軸為時間單位s，縱軸為風速m/s 或載荷）：在1.2倍的額定風速附近遭遇一年一遇的極端陣風，同時在陣風加速度最大（9s）時發(fā)生電網(wǎng)掉電。
由圖2、圖3 可見，葉根與塔底的載荷首先隨風速增加而增加；到第9s 時電網(wǎng)掉電，機組開始緊急停機；葉跟、塔底載荷到達極大值然后迅速下降為0，并反向增至極小值。
塔底傾覆彎矩或葉片揮舞彎矩極小值有時甚至比極大值還大。本文稱此極小值為沖擊載荷。
據(jù)仿真經(jīng)驗，電網(wǎng)掉電后，若葉片的順槳速度越快或葉片越長，該沖擊載荷將會越大。
二、沖擊載荷產(chǎn)生的原因分析
（一）能量傳遞
由致動盤理論可以知道，正常發(fā)電過程中致動盤吸收風能使尾流速度降低，如圖4 所示，同時由動量定理可知，致動盤將尾流風速減小，因此致動盤將承受氣動推力；而緊急停機過程中則相反，致動盤將釋放出能量使風輪轉(zhuǎn)速降低，同時風獲得能量，使得尾流速度增加，此時致動盤使尾流的風速增加，因此致動盤將承受相反的推力。
容易知道，單位時間內(nèi)致動盤所釋放的能量越多，風獲得的能量就越多，由動量定理致動盤所受向前的推力也越大。如圖5 所示為歸一化處理后的塔底傾覆彎矩與風輪加速度的曲線。
可以明顯的看出塔底傾覆彎矩的最小值發(fā)生在風輪減速速率最快的時刻?？梢酝茰y，沖擊載荷是由風輪釋放能量過快（主軸轉(zhuǎn)速下降過快）引起。若通過某種手段限制風輪的加速度范圍，將會改善葉跟和塔底的沖擊載荷。
（二）氣動特性
GH Bladed 是采用經(jīng)典的葉素－動量理論并結(jié)合一定的修正方法進行氣動載荷計算的。從原理可知，風輪的氣動參數(shù)的Cp、Ct、Cm 主要與槳距角、葉尖速比有關(guān)。
而通過GH Bladed中Performance Coefficients 功能，可以得到不同槳距角下的Cp、Ct、Cm 與λ 的曲線?？蓪⑵淅L制成等高線圖，如圖6。
由于DLC1.5 工況是采用NWP（正常風廓線模型），因此穩(wěn)態(tài)計算中獲得的風輪氣動參數(shù)可以近似等于DLC1.5仿真中的氣動參數(shù)。
根據(jù)DLC1.5 仿真的風速、風輪轉(zhuǎn)速、槳距角結(jié)果就可以近似反查到機組運行過程中風輪的推力系數(shù)Ct，如圖6（紅色曲線為Ct 在等高線圖中的運行軌跡）、圖7（緊急停機過程中的Ct 曲線）。
可以看出，緊急停機過程中，由于變頻器斷開機組負載迅速減小，風輪轉(zhuǎn)速快速上升，導致葉尖速比增加，同時快速順槳，導致槳距角增加過快，這使得Ct 系數(shù)快速減小為零并繼續(xù)下降接近甚至超過正向的Ct 最大值，從而機組承受到很大的反向推力。
因此，發(fā)電機負載迅速降低為0、槳距角的過快增加是導致沖擊載荷過大的原因。
控制優(yōu)化與載荷比較
當GL2010 規(guī)范中DLC1.5 工況，塔筒傾覆彎矩、葉片揮舞彎矩的沖擊載荷（或葉片擺振、扭轉(zhuǎn)方向的沖擊載荷）大于設計極限時，傳統(tǒng)的做法是調(diào)節(jié)緊急停機時的順槳速度，來減小沖擊載荷。但當緊急停機的順槳速度變慢時，又會導致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時風輪轉(zhuǎn)速也會大幅上升帶來其他隱性問題。
因此簡單調(diào)節(jié)緊急停機中順槳速度的辦法，只能起到平衡正向載荷和負向載荷的作用，同時減小順槳速度會帶來更高極限風輪轉(zhuǎn)速，并沒有從根本上解決問題。
按前章節(jié)分析可知，要減小沖擊載荷理想的方式就是限制風輪轉(zhuǎn)速的下降速率（控制風輪釋放能量的速度）；或控制葉尖速比λ 和槳距角β 滿足圖6 一定的等高線關(guān)系。
據(jù)此，較為理想的控制方式是：在緊急停機的前幾秒時間，結(jié)合發(fā)電機的加速度信號，通過調(diào)節(jié)槳距角，進行閉環(huán)的風輪減速控制，維持風輪的減速度的速率在一定范圍以內(nèi)（現(xiàn)國內(nèi)大量的變槳系統(tǒng)已經(jīng)可以實現(xiàn)，在緊急停機的前幾秒依然采用主控順槳指令的功能）；或限制風輪轉(zhuǎn)速，減小最大葉尖速比，以減小沖擊載荷。
但由于本文的目的不在于控制器設計，因此本文以下兩種簡化方式進行仿真對比，以表明優(yōu)化的控制效果。
一、控制尖速比λ
控制邏輯：緊急停機時使發(fā)電機轉(zhuǎn)矩維持2s。（該控制方法參照國外風電整機設計公司控制策略）。
原理：防止風輪轉(zhuǎn)速的迅速增加（控制最大葉尖速比λ），從而減小沖擊載荷。
仿真設置：在原始的仿真中，第9s 時加入剎車（剎車扭矩等于發(fā)電機額定扭矩，剎車扭矩在2s 內(nèi)從額定扭矩線性下降到0）。
二、控制槳距角β
控制邏輯：在適當時刻減小順槳速度。
原理：在適當時刻減小順槳速度，即減小氣動剎車，防止風輪轉(zhuǎn)速的迅速下降。
仿真設置：在原始的仿真中，第10s 時加入變槳速度故障，故障值為2deg/s。
緊急停機剛開始需要快速順槳，以減小正向的載荷，而當順槳一定角度后須減小順槳速度以減小沖擊載荷。（此處以固定時間點加入慢速順槳為例，來說明優(yōu)化效果。但實際應用還需要更為詳細的控制邏輯，如：結(jié)合發(fā)電機加速度來進行順槳速度的閉環(huán)控制。）
三、優(yōu)化結(jié)果
經(jīng)GH Bladed 仿真后結(jié)果如圖8、圖9、圖10。黑色為原DLC1.5 工況、綠色為λ 控制、紅色為β 控制。
從圖8、9 可以看出，通過控制尖速比λ 與控制槳距角β 的方法都可以降低沖擊載荷，結(jié)合圖10 可以看出，尖速比控制方法由于發(fā)電機轉(zhuǎn)矩維持的作用，限制了風輪轉(zhuǎn)速（尖速比）的迅速增加，從而減小了沖擊載荷；而槳距角控制的方法則是避免了在高風輪轉(zhuǎn)速( 尖速比) 時，出現(xiàn)大槳距角的情況，即避免了快速的氣動剎車，從而減小了沖擊載荷（見表1）。
另通過對其他坐標系檢查這兩種方案都不會增加其他方向的載荷，并對葉片變槳方向扭矩、擺振方向彎矩也有較為明顯的降低（原理同葉片揮舞方向）。
小結(jié)
本文以海裝某2.0MW 風電機組為例，對GL2010 規(guī)范DLC1.5 工況緊急停機過程中葉根和塔底出現(xiàn)的沖擊載荷產(chǎn)生原因從致動盤理論的角度和葉素動量理論的角度進行了分析，并提出了控制風輪轉(zhuǎn)速和控制順槳速度兩種優(yōu)化的方案。通過仿真對比以上方案可有效降低緊急停機過程中葉根、塔底的沖擊載荷。
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