引言

我國國家領(lǐng)導人做出了"中國二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和"的國際承諾,驅(qū)使著能源電力生產(chǎn)向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。而風電作為綠色可持續(xù)能源,可大量減少碳排放,因此促進風電消納是實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的重要舉措。風資源開發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向低風速、高湍流的風資源區(qū),此類風場大都是山地復雜地形,極端陣風風況較多。陣風特點是風速與風向在短時間內(nèi)均發(fā)生較大變化,易出現(xiàn)極端湍流和極端風剪切疊加的情況,此時風力發(fā)電機面臨凈空不足的情況,行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)多次掃塔事故。

為了解決風力發(fā)電機組存在的凈空不足問題,行業(yè)內(nèi)對此進行了深入研究,各種監(jiān)測和控制技術(shù)應運而生。郭俊凱等人通過探究風速、獎距角、功率對風力機葉片一塔架凈空的影響,分析了葉片一塔架最小凈空工況下葉片的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應。B.P.wi11iams等人提出在塔筒上安裝葉尖距離監(jiān)測裝置,在一定的有效監(jiān)測距離內(nèi),對凈空不足的情況做出響應。M.M.Zhang等人通過新增可變后緣襟翼作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu),采用智能控制策略,使得葉根面外彎矩和葉尖變形量下降30%。L.Zhang等人[6]通過加裝毫米波雷達,實時監(jiān)測葉片到塔架間的最小距離,并引入前饋控制,使得葉片到塔架的最小凈空值從5.65m提升到7.43m。

本文針對凈空不足問題,提出了一種通過激光凈空監(jiān)測雷達實現(xiàn)葉片一塔架凈空的實時監(jiān)測,在凈空不足時適當增加獎距角的策略,并選用實際機組進行了仿真驗證。

1主動凈空控制策略設(shè)計

1.1極端相干陣風

陣風在山地復雜地形容易出現(xiàn),它的特點是在短時間內(nèi)風速與風向發(fā)生大幅變化。根據(jù)IEC61400-1標準[7]載荷計算的定義,極端湍流模型,方向變化的極端相干陣風的幅值為Vcg=15m/s,風速變化上升時間為T=10s,實時風速計算公式為:

風速的上升與風向從0到9cg的變化是同步進行的,風向變化量為:

則同步的實時風向為:

圖1為陣風的風速、風向變化示意圖,可以看出在短時間內(nèi)風速與風向都發(fā)生了驟變,這對風機的載荷和凈空都會產(chǎn)生很大的影響。

1.2極端風剪切工況

根據(jù)IEC61400-1標準載荷計算的定義,極端風切變Ews工況,瞬時(正向或逆向)垂直切變表示為:

瞬時水平切變表示為:

在Ews工況中的強負向風剪切作用下,風力發(fā)電機組葉片在接近塔架時,容易產(chǎn)生凈空不足的情況。若Ews和ECD工況發(fā)生疊加,葉片掃塔事故發(fā)生的概率會進一步增加。

2主動凈空控制策略的實現(xiàn)

2.1綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)

本文提出了一種激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)和機載式激光測風雷達相結(jié)合的綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)及配套的主動凈空控制策略,圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)可以部署于合適的位置,以實現(xiàn)對塔架一葉片凈空的實時監(jiān)測。當葉片旋轉(zhuǎn)至可探測位置,凈空監(jiān)測系統(tǒng)的激光束可以迅速采集到葉尖測點到凈空監(jiān)測系統(tǒng)的距離,經(jīng)過坐標變換,換算出塔架凈空值:機載式激光測風雷達安裝于機艙上方,可以實時測量來流方向的風剪切和風速變化率。上述兩個設(shè)備的信號實時輸入風力發(fā)電機組控制系統(tǒng)。

2.2主動凈空控制策略架構(gòu)

本凈空控制策略采用激光雷達凈空監(jiān)測系統(tǒng)的實時測量原始值作為輸入,在主控系統(tǒng)內(nèi)部進行坐標變換等處理,算出葉尖到塔架的實時最小凈空值:機載式激光測風雷達實時監(jiān)測上風向的豎直風剪切和風速變化率。當換算出的實時最小凈空值小于凈空閾值時,或豎直風剪切小于風剪切閾值,或風速變化率大于指定閾值,則觸發(fā)主動凈空控制。主動凈空控制觸發(fā)后,會在原有獎距角指令上疊加預設(shè)的補償值,削減風輪面推力,提升塔架凈空。在經(jīng)歷延遲時間后,獎距角補償值以斜坡速率退出。主動凈空控制流程框圖如圖3所示。

3仿真評估

采用風力發(fā)電機組仿真軟件Bladed對該策略進行仿真驗證,仿真模型為某3.3Mw雙饋機組,風輪直徑164m,額定轉(zhuǎn)速1750r/min,在IEC規(guī)范工況設(shè)置下,風力發(fā)電機組凈空最小工況往往出現(xiàn)在DLC1.3(ETM風況)與DLC1.5(Ews工況)。因此,對DLC1.3(ETM風況)與DLC1.5(Ews工況)開展仿真驗證,比較主動凈空控制策略的應用效果,從機組的獎距角、凈空值等運行參數(shù)著手進行對比研究。

3.1ETM風況仿真驗證

本文給出某DLC1.3(ETM風況)下的仿真結(jié)果,驗證了主動凈空控制策略的有效性。結(jié)合圖4說明開啟主動凈空控制以后的效果:圖4(a)展示了工況中的風速條件,平均風速12m/s,縱向湍流強度為22%:圖4(b)展示了主動凈空控制疊加的獎距角:圖4(c)展示了主動凈空控制開啟與否的獎距角時序:圖4(d)展示了塔架最小凈空值的時序。在本次仿真時序的88s附近,主動凈空控制觸發(fā),獎距角進行了及時補償,提升了機組在93~103s風速極速上升時的凈空值。

3.2EWS風況仿真驗證

在DLC1.5(Ews風況)下,會出現(xiàn)下風輪面風速顯著高于上風輪面風速的情況,即強負剪切工況,在此種工況下,葉尖發(fā)生掃塔的可能性會大幅度提升。結(jié)合圖5說明開啟主動凈空控制以后的效果:圖5(a)展示了輪轂高度、上風輪面和下風輪面的風速情況:圖5(b)展示了主動凈空控制開啟與否的獎距角時序:圖5(c)展示了塔架最小凈空值的時序。

傳統(tǒng)變速變獎控制策略無法對負剪切做出直接響應,而應用了主動凈空控制策略以后,塔架最小凈空值提升1m。

4現(xiàn)場評估

本項技術(shù)已經(jīng)進行批量應用,且能實際捕捉到凈空不足并進行補償。圖6展示了某復雜場址條件項目的應用案例,圖6(a)展示了發(fā)電機轉(zhuǎn)速,圖6(b)展示了實測塔架凈空值和觸發(fā)閾值的時序,圖6(c)展示了主動凈空控制疊加的獎距角值。

從圖6可以看出,在現(xiàn)場復雜風況條件下,發(fā)電機轉(zhuǎn)速開始驟增,實測塔架凈空值下降到觸發(fā)閾值以下,主動凈空控制策略立即進行獎距角補償,塔架凈空值快速恢復到安全水平。

5結(jié)論

(1)本文針對復雜場址下風電機組的凈空隱患和傳

統(tǒng)變速變獎控制策略的局限性,提出了一種綜合性凈空監(jiān)測系統(tǒng)和配套的主動凈空控制策略。

(2)根據(jù)Bladed仿真驗證和現(xiàn)場實際驗證,本控制策略可以在風力發(fā)電機的設(shè)計中提升塔架凈空值,有利于整機優(yōu)化設(shè)計:也可以在實際復雜風況下通過獎距角補償,提升機組安全性,降低掃塔風險。