風力發(fā)電機組的臺風適應性設計方法研究

申新賀，葉杭冶，潘東浩，張秀芝，方郁鋒

（1.風力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室浙江運達風電股份有限公司，杭州 310012；2.國家氣候中心，北京 100081）

1 前言

經(jīng)過一年的低谷期后，市場對海上風電的熱情被重新點燃。2013年初，國家發(fā)展和改革委員會頒布了2013版的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導目錄》，“海上風電機組技術(shù)開發(fā)與設備制造”和“海上風電場建設與設備制造”進入鼓勵發(fā)展的產(chǎn)品目錄；隨后，國家能源局召開了海上風電發(fā)展座談會，提出要加快推進我國海上風電開發(fā)。

但中國近海海域臺風的肆虐成為海上風電開發(fā)的重要制約因素。我國沿海擁有豐富的風力資源，但缺乏應對臺風環(huán)境的風電設計技術(shù)，這方面的研究更是欠缺。為更好開發(fā)利用我國近海區(qū)域的風能資源，臺風適應性技術(shù)成為我國海上風力發(fā)電技術(shù)研究的重要內(nèi)容。

2 風電機組抗臺風技術(shù)研究現(xiàn)狀

國際上開展風電抗臺風技術(shù)研究的主要有日本、東南亞、中國以及中國臺灣等臺風盛行的國家和地區(qū)。在日本新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開發(fā)機構(gòu)（NEDO）支持下，2004年日本就開始了為期3年的風電機組抗臺風設計技術(shù)的研究[1～3]，根據(jù)研究成果制定了指導日本風電發(fā)展的技術(shù)指南[4]，內(nèi)容涵蓋了載荷測試、極端風圖譜、極端風速數(shù)據(jù)庫以及風電場場址評估和機組選型指南等內(nèi)容。該研究的著重點仍在于極端風速的計算和場址評估上，對風電機組的臺風適應性設計研究不夠深入。2005年，在歐盟的支持下，丹麥國家能源實驗室和菲律賓、越南等東盟國家開展了名為“EU-ASEAN wind project”的研究項目[5]，研究在上述國家臺風頻發(fā)地區(qū)開發(fā)風電的技術(shù)可能性和對策。該項目通過對菲律賓全國極限風速的調(diào)查分析，初步研究了臺風地區(qū)風電機組結(jié)構(gòu)的安全性設計要求，對安全系數(shù)的提高導致的機組成本增加做了初步分析。該項目提出了如下結(jié)論：a.在保證電力供應的情況下，風電機組的偏航系統(tǒng)能夠跟上臺風風向的變化；b.要保持與IEC 61400-1一致的安全性要求，將導致機組成本增加20%～30%；c.為了經(jīng)濟性更好，風電機組在罕見的超強臺風中被破壞可以被接受。美國船級社在美國內(nèi)政部的支持下研究了颶風環(huán)境下的海上風電場和海上風電機組的設計技術(shù)。根據(jù)報告[6，7]，應用在颶風地區(qū)的海上風電機組設計載荷計算風模型推薦采用API（美國石油協(xié)會）標準模型。

上述項目對臺風破壞機理的研究吸收了海洋工業(yè)標準、建筑行業(yè)規(guī)范等，側(cè)重于臺風的極端風速。但來自其他行業(yè)的標準不能完全適用于風電機組的設計，可能會遺漏運行工況對機組設計的重要性，而且這些標準通常局限于結(jié)構(gòu)在風載下的靜態(tài)表現(xiàn)，無法體現(xiàn)出與風電機組控制和安全系統(tǒng)相關(guān)的故障情況。當前風電機組設計依據(jù)的國際或國家標準沒有考慮臺風的特性，運行于臺風地區(qū)的風電機組遭到破壞的風險增大；盡管采用更高的生存風速設計風電機組是可行的，但困難在于平衡風電機組的成本和可靠性。對臺風造成的大量風電場事故分析表明[8～10]，臺風對風電設備的破壞主要與臺風登陸過程中的風況特性、風電場的地形環(huán)境和風電機組的結(jié)構(gòu)設計與控制方法等因素有關(guān)，不僅僅取決于臺風的極大風速。

我國的抗臺風風電技術(shù)研究得益于中國-歐盟能源與環(huán)境合作項目“臺風對近海風電開發(fā)的影響研究”項目，吸收了國內(nèi)風電場的臺風事故經(jīng)驗[8～10]，對我國近海臺風登陸情況、臺風影響下的極端風速分布以及臺風的破壞機理等做了系統(tǒng)性的分析和研究[11]。2010年4月，全國風力機械標準化技術(shù)委員會在上海組織召開了《臺風型風力發(fā)電機組》國家標準的起草工作會議，浙江運達風電股份有限公司、國家氣候中心等被指定作為該標準的主要起草單位。該標準是世界上第一部用于臺風環(huán)境下的風力發(fā)電機組的產(chǎn)品規(guī)范。

3 臺風特性分析

設計工況決定了風電機組的外部載荷和運行環(huán)境。與普通風況相比，臺風的湍流、突變風向、陣風和極端風速[12]是不同于已有風電機組設計標準[13]的明顯特性。因此，深入分析臺風的特性和風電機組的失效機理，建立相應的臺風風況模型，用于風電機組設計才能保證機組的經(jīng)濟性和安全性。

3.1 臺風的湍流特性

臺風過程中的強湍流常常是風電機組振動失效的主要原因。通過對海上測風塔觀測數(shù)據(jù)的分析表明，由于風致波浪的影響，湍流對海上風電機組塔架下部產(chǎn)生的載荷效應大于上部，呈現(xiàn)明顯的隨高度變化的特性。湍流對風電機組的影響不僅僅與湍流的強度有關(guān)，還與機組所處的方位呈現(xiàn)相關(guān)性。圖1是利用湍流風速55m/s計算的偏航軸承的載荷，當風向在120°方位時，載荷明顯異常；進一步頻譜分析發(fā)現(xiàn)，該方位下可能引發(fā)了結(jié)構(gòu)共振。

圖1 臺風極端風速下的異常載荷（湍流風，風速50m/s，風向120°）Fig.1 Abnormal load under typhoon（turbulence wind 50m/s，wind direction 120°）

日本的Kogaki等[3]詳細分析了日本復雜地形和臺風影響下的風況與IEC標準的差異，指出多數(shù)情況下湍流強度分布與標準湍流模型（NTM）相似，但有60%的湍流強度超過了IEC最強湍流強度級別。Cao等[14]對臺風Maem i的觀測數(shù)據(jù)進行了詳細的分析，得出了相同的結(jié)論，并給出了臺風湍流三個方向的分量σu/σv/σw=1.8/1.5/1.0的比值關(guān)系。

通過對我國近海大量臺風觀測數(shù)據(jù)進行分析，張秀芝等[15]得出結(jié)論，當風速不斷增大時，在臺風中心及附近的縱向湍流強度逐步降低趨于穩(wěn)定，臺風的三維湍流大于IEC 61400-1標準的規(guī)定；臺風湍流三個方向（縱向、橫向、垂向）的比例關(guān)系為1∶0.86∶0.51。

3.2 臺風環(huán)境下的50年一遇設計極端風速

GB/T 19201―2006規(guī)定了我國范圍內(nèi)的熱帶氣旋等級劃分原則，如表1所示。

表1 我國熱帶氣旋劃分標準Table 1 Tropical cyclone classification table

表2是薩菲爾-辛普森颶風分級模型，該模型相比我國的熱帶氣旋分級標準，風速的觀測時間不一樣，對50m/s以上的風速劃分的更細。對于海上風電機組的臺風適應性設計，這種分級方式的風速劃分可操作性意義更強。但要解決我國近海環(huán)境下的海上風電機組設計極端風速，仍需要極端風速的分布圖譜。

表2 薩菲爾-辛普森颶風等級Table 2 Saffir-Simpson hurricane scale

由于海上風電場離岸距離通常在10～50m范圍內(nèi)，因此臺風的近岸特性對海上風電場至關(guān)重要。文獻[11]統(tǒng)計了1949—2010年以來影響我國近海的臺風登陸情況，計算考慮臺風影響的我國近海50年一遇的最大風速，如圖2所示。根據(jù)極端風速分布圖譜的分析結(jié)果，設計參考風速為50m/s的等級可以適用于我國大部分海域，55m/s的等級則基本涵蓋了我國海上風電可開發(fā)海域。

圖2 臺風影響下的我國近海50年一遇風速分布圖Fig.2 Wind speed map with a recurrent period of 50 years in over the coastal waters of China

3.3 臺風風向的變化

風向的瞬時變化值對風電機組安全性有重要的影響。筆者對收集到的23個臺風觀測數(shù)據(jù)的分析表明，臺風過程中，當風速在12～30m/s時，風向變化較大，但速率較慢，風電機組的偏航系統(tǒng)可以跟隨上風向的變化。風向變化幅值基本小于IEC 61400-1 Ed.2規(guī)定的50年一遇ⅠA幅值。當臺風經(jīng)過時，通常會帶來較大的風速，有利于海上風電機組的發(fā)電運行，但風向的大范圍變化給海上風電機組的運行帶來困難。因此，設計海上風電機組時，應結(jié)合風電機組的運行狀態(tài)，考慮風向、湍流和變槳、偏航等控制參數(shù)，進行綜合分析。這也是風電機組臺風適應性設計的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

3.4 臺風過程中的陣風變化

筆者收集了2003年以來中國東南部沿海88個測風塔的觀測數(shù)據(jù)進行計算分析，結(jié)果表明，臺風過程中的陣風幅值大于IEC 61400-1 Ed.3的ⅠA等級，但小于IEC 61400-1 Ed.2的ⅠA等級。圖3是臺風“鯰魚”不同觀測地點的實測陣風值，伴隨的陣風變化已經(jīng)超出了IEC 61400-1規(guī)定的陣風幅值（圖3中的粗實線所示，兩條粗實線分別表示風速等于Vhub時對應的標準陣風特性曲線）。

圖3 臺風“鯰魚”實測陣風Fig.3 Gusts during of typhoon“MEGI”

4 臺風環(huán)境設計工況

根據(jù)第三部分的臺風特性分析結(jié)果，對IEC 61400-1 Ed.3的風況模型提出如下更改。

1）EWM_TC：湍流風模型的縱向、橫向和垂向分量比例更改為 1∶0.86∶0.5。

2）EOG_TC：定義臺風環(huán)境下的陣風幅值模型，見式（1）

周期（T=14 s）、風速方程與 IEC 61400-1 Ed.3一致。

3）EDC_TC：定義臺風環(huán)境下的風向變化幅值模型，見式（2）

周期（T=6 s）、極端風向瞬時變化方程與IEC 61400-1 Ed.3一致。

式（1）和 式（2）中，Vgust為陣風幅值；σ1為輪轂高度處的縱向風速標準偏差，見IEC 61400-1；D為風輪直徑；Λ1為湍流尺度參數(shù)；θe為極端風向變化；Vhub為輪轂高度處的風速。

為考察上述臺風特性對風電機組設計載荷的影響，考慮臺風過程中風電機組可能的工作狀態(tài)，制定表3所列的臺風工況。為評估湍流強度的增加對機組載荷的影響，設置工況DLC 9.2；DLC9.3、DLC 9.4是考察臺風時機組的可能停機過程；DLC9.5、DLC9.6是考察臺風時機組停機狀態(tài)下受陣風、風向變化的影響。這里假定臺風警報發(fā)出后，風電機組采取順槳、空轉(zhuǎn)的控制策略。

表3 臺風設計工況Table 3 Typhoon design load cases

設計仿真考慮以下工況組合：a.不考慮臺風影響的IEC 61400-1 Ed.3標準設計工況；b.表3的臺風設計工況；c.表3（不包括DLC9.1）+A。

5 仿真實驗

采用1.5MW變速變槳風力發(fā)電機組作為仿真研究對象，機組數(shù)據(jù)如表4所示。

采用大型通用風力發(fā)電機組設計與分析軟件Bladed，根據(jù)IEC 61400-1 Ed.3國際標準，利用表3設計的工況模型對表4所列1.5MW機組進行了仿真分析。圖4給出了不同風向、不同風速情況下葉根和塔架底部的載荷。從圖4可以看出，當風輪處于下風向時塔底載荷和葉根載荷最小，機組應盡量避開風向90°的方位角，即側(cè)風向；隨極限風速的增加，葉根扭矩無法通過調(diào)整控制策略得到有效降低，成為機組抗臺風的薄弱環(huán)節(jié)。因此，結(jié)構(gòu)設計上，應提高葉根的扭轉(zhuǎn)剛度。

表4 1.5MW風電機組數(shù)據(jù)Table 4 1.5MW wind turbine data

圖4 不同方位角時的葉根彎矩（DLC9.1）Fig.4 Blade root bending moment with different azimuth（DLC9.1）

表5是組合工況A和C的設計載荷仿真結(jié)果（DLC2.1、DLC6.2、DLC8.2來自于 IEC 61400-1）。要保持與IEC 61400-1一樣的安全余量，臺風型風電機組的設計載荷將比IEC標準等級風電機組增大15%～40%。對于海上環(huán)境，縱向湍流強度要比陸上小，則臺風導致的極限載荷要小于陸上環(huán)境。

表5 組合工況A和C下的風電機組部件極限載荷Table5 Extreme load of combination case A and C

表6 葉片載荷比較Table 6 Comparision of blade load

臺風對風電場造成的事故中，葉片是損壞幾率最高的部件。表6分析了極端風速下不同湍流導致的葉片載荷，可見，由于臺風過程中的異常湍流，葉片揮舞方向和擺陣方向的載荷增大，揮舞方向更容易損壞。

從表5、表6的結(jié)果也可以看到，湍流強度對極限載荷的影響非常明顯；對海上風電場來說，氣流恢復平穩(wěn)很慢，在臺風擾流下，排間風電機組的相互影響帶來的湍流增大需要引起更多的重視。

6 結(jié)語

本文重點研究并建立了用于風電機組臺風適應性設計的臺風風況模型和工況模型，利用Bladed仿真軟件驗證了上述模型的正確性和合理性，通過對比常規(guī)機組的設計結(jié)果，指出風電機組在臺風情況下的設計特點。風電機組的臺風適應性設計，應采用系統(tǒng)性的本質(zhì)安全設計方法，不應簡單地加強結(jié)構(gòu)部件，也不應單純地更改控制策略，而應該從設計全過程綜合考慮正確的臺風特性描述、合理的結(jié)構(gòu)安全余量和正確的安全控制策略；還需要從海上風電場的設計和運行維護策略等方面形成一套完整的體系。

對風力發(fā)電機組臺風環(huán)境下的適應性設計提出如下的總體設計思路。a.臺風風模型。從設計輸入的源頭解決臺風風特性源的準確描述問題，提供正確的環(huán)境參數(shù)輸入。b.設計工況。考慮充分利用臺風發(fā)電的可能性，綜合考慮臺風、結(jié)構(gòu)和控制狀態(tài)，能夠涵蓋海上風電機組的整個運行周期。c.控制策略。根據(jù)仿真結(jié)果，風電機組處于上風向或下風向時載荷最小。考慮不同方位下的臺風湍流頻率，應具備扇區(qū)管理功能，以避開仿真分析中出現(xiàn)不利載荷的風向。d.結(jié)構(gòu)分級失效原則。根據(jù)部件失效后果進行結(jié)構(gòu)重要性分級，考慮各種不確定性導致的載荷變化，對關(guān)鍵部件進行余量分級設計。如葉片的首先失效，能夠保證塔架和整機的穩(wěn)定性。e.臺風預警功能。考慮充分利用臺風，提高發(fā)電效益，海上風電機組的控制系統(tǒng)應能夠接受臺風預警信號，當風速達到預警值后自動轉(zhuǎn)入對應的臺風運行模式。f.臺風應急預案。應考慮臺風來臨前后的預防措施、運維方案、臺風信息處理和監(jiān)測等方案，提高臺風環(huán)境下的風電設備抗臺風能力。

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