風電機組抗臺風技術策略與應急管理

文 | 黃冬明，張鐵，曹人靖，張啟應，柳勝舉

風電機組抗臺風技術策略與應急管理

文 | 黃冬明，張鐵，曹人靖，張啟應，柳勝舉

臺風是生成于熱帶或副熱帶洋面且極速旋轉的大氣渦旋，其分類和衛星圖片如表1和圖1所示。其中，超強臺風瞬間陣風風速超過51m/s，具有很強的破壞力，給風電機組的設計帶來極大挑戰。例如，2014年第9號超強臺風“威馬遜”，其陣風風速達到66.7 m/s，最低氣壓910hPa，橫掃菲律賓、中國和越南，使得國內外知名廠家的風力發電場發生了風電機組倒塌、塔架屈曲折斷、葉片斷裂、機艙蓋掉落、塔架門破壞等嚴重事故，給業主和制造商造成極大損失。然而，多個風電場安裝的某廠家MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110抗臺風型風電機組卻無一發生倒塌、塔架破壞和葉片斷裂等事故，其優異的抗臺性能和高可靠性在行業內贏得了良好口碑。

因此，本文根據該廠家抗臺風型風電機組的實際應用經驗，圍繞風電機組葉片、風電機組結構、塔架基礎、抗臺風控制策略以及應急管理等幾個方面，闡述了抗臺風型風電機組的應用技術與應急管理模式，對抗臺型風電機組技術的發展具有一定的參考價值。

風電機組抗臺風技術

抗臺風型風電機組設計涉及機械工程、電氣工程、空氣動力學、固體力學、熱力學、流體力學、復合材料和先進制造等多學科領域。本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110為例，從葉片設計、風電機組結構設計、塔架基礎、抗臺風控制策略、風電場應急管理模式等幾個方面，深入系統地介紹風電機組的抗臺風技術。

一、葉片設計

風電機組葉片是風電機組的關鍵部件，其性能好壞直接影響風電機組的整機載荷大小、抗臺風性能和風電機組在超強臺風中的生存率。抗臺風型風電機組所用葉片，可基于以下幾個方面進行設計，以保證風電機組葉片的性能：

1. 考慮50年一遇極端風速和極端湍流特征值0.16的載荷進行葉片結構設計，確保葉片強度能夠滿足超強臺風生存的需要；

表1 臺風分級

圖1 臺風分類及其衛星照

2. 風電機組葉片滿足抗臺風整體性能要求，采用抗臺風葉片，確保臺風中變槳伺服電機具備足夠剎車力矩，防止葉片槳距變化導致不可預見的后果；

3. 加強葉根鋪層厚度，提高葉根抗彎模量。加強壓力面梁帽鋪層厚度，提高葉片受壓面強度。采用FEM對葉片鋪層進行優化設計，提高葉片強度和剛度，降低葉片重量等；如圖2和圖3所示為葉片截面結構圖和葉片FEM仿真計算結果圖。

二、超緊湊機組結構設計

與普通機型相比，超緊湊機組結構設計具有得天獨厚的抗臺風性能，其優勢如下：

1. 如圖4所示，超緊湊傳動鏈設計可以確保機艙重量減輕和載荷傳遞路徑短，載荷從風輪傳遞至主軸承、傳動鏈、偏航系統、塔架和基礎。機艙系統重心位于上風向，臺風工況中有利于抵消部分臺風產生的彎矩。

2. 超緊湊設計的機艙尺寸遠遠小于傳統雙饋機型尺寸，結合CFD技術對機艙外形進行空氣動力學優化，可以大大減小機艙阻力，減小機組在超強臺風中的載荷，顯著提高機組抗臺風性能。如圖5所示為傳統雙饋機艙與超緊湊機艙結構尺寸比較。

圖2 葉片截面結構圖

圖3 葉片FEM仿真計算結果

圖4 SCD機型傳動鏈設計

三、兩葉片的結構設計

與三葉片機組不同，兩葉片的設計在臺風工況下擁有無可比擬的優勢。兩葉片風電機組在臺風停機狀態下，機組風輪鎖定在水平位置，由于只有兩個葉片，風輪受到的面內氣動力基本與地面垂直，且都處于同一水平面上，避免了縱向風切變的影響，這樣就可以極大降低由于葉片安裝角誤差、風切變、風輪傾角、風輪錐角等因素造成的氣動不平衡引起的側向推力，從而極大降低了塔筒、基礎承受的合彎矩。

圖5 傳統雙饋機型結構與超緊湊機艙結構比較

圖6 葉輪在不同方位角下塔底合彎矩變化圖

不同方位角下塔筒底部的傾覆力矩如圖6所示，可以看到，在方位角為90°時，即風輪處于水平狀態下，塔筒底部彎矩達到最小值。

四、塔架基礎設計

塔架基礎設計與施工質量對保證風電機組良好的抗臺特性至關重要。針對超強臺風特性，塔架基礎設計嚴格按照IEC標準和GL風電機組認證導則進行。

1. 考慮50年一遇（3S）極限風速（高達70m/s），按照極端湍流強度特征值0.16和風切變指數0.2進行載荷計算；

2. 基于EC3對塔架系統進行設計，并采用FEM進行結構優化與校核，確保塔架的強度和剛度滿足使用要求，降低塔架重量。仿真計算包括塔架共振分析、塔架各段屈曲穩定性分析、塔架門、焊縫分析和法蘭聯接螺栓分析等；

3. 塔架生產工藝要求嚴格控制質量，確保塔架強度。塔架鋼板要求一級探傷且為正火交貨狀態。法蘭采用整體鍛造輾環工藝，嚴格遵守工藝操作規范，確保工藝質量。對于關鍵位置焊縫需要進行無損探傷，從源頭上消除質量風險。

4. 基礎設計與施工基于50年一遇極端載荷，采用國家防洪設計要求標準，對于軟地基或高水位地基采用樁基礎加強，從而保證基礎抗臺風強度要求。圖7所示為抗臺型風電機組多樁基礎。

五、抗臺風控制策略

針對中國南方沿海多臺風地區，考慮50年一遇（3S）極端陣風（風速達到70m/s）、極端湍流EWM模型、電網掉電工況和臺風陣風系數為1.4進行分析，確保在載荷計算階段全面考慮臺風特性。

（一）控制策略設計

MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110機組在超強臺風“威馬遜”中所表現出優異性能和高可靠性，源于該風電機組先進的控制策略設計，其抗臺風控制模式如表2所示。

根據表2可知，其控制策略為：當臺風來臨時，控制系統開始動作，風電機組槳葉緊急順槳至91°并鎖定，機組處于停機狀態。風電機組偏航至設定角度，以槳葉最小面受力，葉片處于空氣制動狀態，葉輪處于自由狀態，通過程序控制釋放主軸剎車和系統液壓力，同時保證偏航剎車壓力不小于100Bar。抗臺風控制策略流程如圖8所示。

圖7 抗臺風型風電機組多樁基礎結構

表2 風電機組抗臺風模式

（二）偏航對風策略

以MY1.5-77/82機組為例，使用Bladed軟件對機組進行仿真分析，采用Kaimal功率譜湍流模型，當葉片順槳至91°，風輪處于自由狀態時，臺風工況下的載荷分別如圖9和圖10所示（黑線，0°；紅線，90°；綠線，180；藍線，270°）。

由分析結果可知，機組偏航角度為0°和180°時，葉根合彎矩以及塔底的合彎矩相對于其他角度載荷較小。因此，風電機組抗臺風模式可采用正面對風或背面對風，以最大限度降低機組載荷，提高風電機組生存率。

（三）后備電源策略

對于傳統結構的風電機組，如MY1.5-77/82，可以采用后備電源策略以確保偏航系統供電。后備電源策略方案如圖11所示，當臺風登陸，電網斷電以后，轉換開頭自動切換到后備電源，此時，偏航系統由后備電源供電，從而確保6小時內偏航系統能夠始終工作，控制偏航誤差在±10°以內。

圖8 抗臺風控制策略流程圖

同時，后備電源的使用也大大降低了機組載荷，提高了風電機組的抗臺風可靠性。基于上述載荷分析結果和抗臺風控制模式，風電機組在臺風工況下停機的有利偏航角是180°或0°。考慮在機艙內配有偏航備用電源，能保證風電機組在電網掉電時，偏航系統連續工作6小時、控制系統工作7天，從而保證風電機組10分鐘平均偏航誤差在180±10°或0±10°內，葉根合彎矩及塔底合彎矩的極限載荷均可大幅降低20%左右，Bladed仿真結果如圖12和圖13所示。

（四）其他控制策略

為有效降低風電機組整體載荷，提高抗臺風性能和可靠性，也可以采用其他先進降載控制策略，包括傳動鏈加阻、塔架加阻、IPC、動態推力削減、臺風預估策略、極端陣風控制、Finepitch和Optimalpitch等。降載控制策略的應用，可有效地降低機組載荷，綜合提高風電機組在臺風工況下的發電量。

圖9 不同偏航角度葉根合彎矩對比

圖10 不同偏航角度塔底合彎矩對比

風電場應急管理

風電機組的葉片、結構、控制策略等固然重要，但如果沒有科學合理的風電場抗臺風應急管理模式，抗臺風的效果也會大打折扣，因此，采用先進的風電場抗臺風應急管理模式，在臺風來臨之前做好充分的應對準備，可以更有效地應對超強臺風的襲擊。

風電場抗臺風應急管理模式如下所示：

1. 成立固定的抗臺風應急小組，以組織協調風電場抗臺風工作，小組成員分工明確，并且加強宣傳和教育、定時預報、定期進行應急演練等；

圖11 后備電源策略電氣設計方案

圖12 不同偏航角度葉根合彎矩對比

圖13 不同偏航角度塔底合彎矩對比

圖14 明陽風電場抗臺風管理模式

2. 在臺風來臨之前一天召開業主和應急小組抗臺風聯席會議，深入討論可能的緊急事故并制定相應預案，進行應急演練；

3. 臺風登陸前五小時，以1小時為間隔對風電場風電機組運行情況進行匯報。匯報內容包括風速、各機組運行情況、進入臺風模式、進行應急演練及業主內外電網和線路情況等；

4. 臺風登陸后每隔半小時進行匯報；

5. 臺風過后兩小時內持續匯報風電場及各機組情況；

6. 若遇到緊急情況，馬上匯報給相關部門高層領導并啟動應急預案。

結論

在海上風電迅猛發展的當下，風電機組的抗臺風性能的提高已經是一個必須應對的迫切要求，本文以MY1.5-77/82和SCD3.0MW-110為例，從葉片設計、機組結構設計、塔架基礎設計、抗臺風控制策略以及風電場抗臺風應急管理等多個方面，系統地論述了風電機組的抗臺風技術及管理模式，這些機組在歷次臺風襲擊中所表現出的優異的抗臺風性能及高可靠性，充分證明了這些技術及管理模式的實用性，為我國風電行業發展抗臺風技術提供了積極的參考意義。

（作者單位：黃冬明，張鐵：華南理工大學機械與汽車工程學院；曹人靖，張啟應，柳勝舉：廣東明陽風電產業集團有限公司）