海上大兆瓦風(fēng)電機(jī)組抗臺風(fēng)控制策略設(shè)計研究

(國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引 言

我國風(fēng)能資源儲量豐富，東海、南海海域具有風(fēng)能資源優(yōu)勢，適宜進(jìn)行風(fēng)能開發(fā)，建立在海邊或海上的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的相當(dāng)比例。然而在這兩個海域臺風(fēng)頻頻發(fā)生，而在臺風(fēng)來臨之際，風(fēng)機(jī)力學(xué)環(huán)境惡劣，超高的風(fēng)力載荷導(dǎo)致葉片損毀嚴(yán)重、損毀比例高，為后期投入和檢修維護(hù)帶來極大挑戰(zhàn)。由于臺風(fēng)的影響，我國海上風(fēng)電裝機(jī)容量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于陸上風(fēng)電裝機(jī)容量，因此，抗臺風(fēng)是海邊以及海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)面臨的一個巨大難題。

沿海和海上是臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，臺風(fēng)對機(jī)組的危害包括兩個方面，一是風(fēng)速超過設(shè)計極限，引起機(jī)組結(jié)構(gòu)部件的損毀，包括葉片折斷、塔架倒塌、風(fēng)機(jī)傾覆等，臺風(fēng)來臨時，高壓輸電網(wǎng)會出現(xiàn)斷電或人為斷電的情況，使機(jī)組處于斷電狀態(tài)，偏航系統(tǒng)無法工作，機(jī)組受到巨大的外力沖擊，對機(jī)組結(jié)構(gòu)強度是個極大的考驗；二是風(fēng)向突變，機(jī)組在側(cè)向來風(fēng)的情況下，對變槳執(zhí)行機(jī)構(gòu)和偏航執(zhí)行機(jī)構(gòu)的破壞。隨著機(jī)組設(shè)計功率的提高、塔筒高度和葉片長度的增加，臺風(fēng)對機(jī)組的威脅也越來越大。

有關(guān)抗臺風(fēng)的方法，整機(jī)廠商往往更多通過優(yōu)化塔架結(jié)構(gòu)、增強塔架或葉片強度等實現(xiàn)，少有整機(jī)廠商通過控制策略的主控保護(hù)措施使機(jī)組處于相對安全的位置。文中給出的海上風(fēng)電機(jī)組抗臺風(fēng)的控制方法，可使風(fēng)電機(jī)組單機(jī)時刻保持主動性、對臺風(fēng)的變化主動進(jìn)行偏航動作以減小風(fēng)機(jī)載荷，大大減小了臺風(fēng)對風(fēng)電機(jī)組的沖擊，且在風(fēng)速儀、風(fēng)向標(biāo)失效時依然保持有效，適用于海上大型風(fēng)電機(jī)組單機(jī)抗臺風(fēng)控制。

1 海上大兆瓦抗臺風(fēng)策略設(shè)計

1.1 策略概述

本風(fēng)電機(jī)組抗臺風(fēng)策略該模式分為預(yù)解纜、臺風(fēng)兩個階段，模式的進(jìn)退指令由中控人員通過SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)出。在預(yù)解纜階段，機(jī)組首先收槳正常停機(jī)，判斷機(jī)組當(dāng)前扭纜角度，根據(jù)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行偏航解纜動作，將扭纜角度釋放360度以給下一階段調(diào)整偏航角度留出余量。待風(fēng)機(jī)完成偏航解纜動作之后，中控人員給出臺風(fēng)階段進(jìn)入指令后，機(jī)組進(jìn)入臺風(fēng)階段偏航調(diào)整狀態(tài)，在整個臺風(fēng)過程中，以臺風(fēng)主風(fēng)向為控制目標(biāo)，不斷進(jìn)行偏航調(diào)整，以求降低機(jī)組載荷。

1.2 抗臺風(fēng)策略主運行狀態(tài)邏輯設(shè)計

海上兆瓦級抗臺風(fēng)策略要求在中控系統(tǒng)給出“抗臺風(fēng)模式”指令后，機(jī)組正常停機(jī)，隨后進(jìn)入預(yù)解纜階段。在該階段，如果偏航扭纜角度超過改機(jī)組余量設(shè)計扭纜角度，且滿足解纜操作的其他條件，則進(jìn)行一次解纜動作，解纜動作需連續(xù)進(jìn)行360度，隨后機(jī)組偏航系統(tǒng)正常對風(fēng)。抗臺風(fēng)模式指令解除(由中控室給出)，機(jī)組恢復(fù)至待機(jī)模式，待無其他故障信息，并滿足風(fēng)速、溫度等機(jī)組啟動條件后，機(jī)組自動正常啟動，抗臺風(fēng)策略運行狀態(tài)機(jī)過程如圖1所示。

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)入抗臺風(fēng)模式后，機(jī)組首先正常停機(jī)，然后機(jī)組可進(jìn)入追風(fēng)偏航狀態(tài)，在整個臺風(fēng)過程中，以臺風(fēng)主風(fēng)向為控制目標(biāo)，不斷進(jìn)行偏航調(diào)整，以求降低臺風(fēng)對機(jī)組的沖擊。特殊情況應(yīng)對：進(jìn)入臺風(fēng)模式后，機(jī)組進(jìn)行正常停機(jī)操作，此時若機(jī)組處于其他更高級別停機(jī)流程中，停機(jī)過程不會重復(fù)觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行抗臺模式下的狀態(tài)機(jī)。

圖1 機(jī)組運行狀態(tài)機(jī)

1.3 抗臺風(fēng)模式執(zhí)行流程設(shè)計

在進(jìn)入抗臺風(fēng)模式后的任何時刻，若收到模式解除指令，則風(fēng)電機(jī)組復(fù)位，轉(zhuǎn)入待機(jī)模式運行。

上述模式中的各階段的進(jìn)退指令可由中控人員通過SCADA系統(tǒng)遠(yuǎn)程發(fā)出控制。中控人員主要是根據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)及風(fēng)電場氣象預(yù)測系統(tǒng)決定，通過SCADA系統(tǒng)手動給出。該模式優(yōu)選分為兩個階段，即STEP1-預(yù)解纜階段和STEP2-臺風(fēng)階段。抗臺風(fēng)模式STEP1指令給出后，機(jī)組進(jìn)入預(yù)解纜階段，在接到STEP2指令后則進(jìn)入臺風(fēng)階段。在兩個階段的任何時刻，若收到模式解除指令，則機(jī)組復(fù)位后可轉(zhuǎn)入待機(jī)模式運行。抗臺風(fēng)模式執(zhí)行流程及功能圖如圖2所示。

本策略偏航對風(fēng)動作的邏輯條件包括：Nmin平均風(fēng)速超過預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速閾值；以及T1時間內(nèi)平均偏航誤差超過預(yù)先設(shè)置的臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)誤差閾值γ。

圖2 抗臺風(fēng)模式主要流程及功能圖

具體地，上述偏航對風(fēng)動作的邏輯條件包括：N分鐘平均風(fēng)速超過預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速閾值；以及T1時間內(nèi)平均偏航誤差超過預(yù)先設(shè)置的臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)誤差閾值γ。即滿足上述條件后，啟動偏航對風(fēng)動作。根據(jù)臺風(fēng)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)及文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)來臨24小時內(nèi)，上述邏輯條件的默認(rèn)設(shè)置值為：5 min平均風(fēng)速超過6 m/s；以及30 s內(nèi)平均偏航誤差超過對風(fēng)誤差閾值30度。此時的γ值是臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)偏差值，不同于正常運行時偏航對風(fēng)的閾值誤差β。

1.4 極端情況處理

考慮到在臺風(fēng)模式下，由于風(fēng)況極端，瞬時風(fēng)速可以達(dá)到40m/s以上，常有風(fēng)向標(biāo)、風(fēng)速儀這一類風(fēng)況傳感器被臺風(fēng)摧毀的情況發(fā)生。為了應(yīng)對這種極端情況，本策略特設(shè)計使用SCADA系統(tǒng)將當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組相鄰機(jī)位(優(yōu)選兩個機(jī)位)風(fēng)向平均值傳給本臺機(jī)位，作為本臺機(jī)位在風(fēng)向標(biāo)失靈的情況的參考偏航風(fēng)向。具體互動過程如下：

(1)當(dāng)前機(jī)組檢測到風(fēng)向標(biāo)故障，同時給SCADA系統(tǒng)傳出風(fēng)況傳感器故障信息Alarm1；

(2)SCADA收到Alarm1時，取故障機(jī)位的相鄰兩個機(jī)位的絕對風(fēng)向，做移動平均值計算，并間隔一定時間傳給故障機(jī)位作為風(fēng)向參考；所述時間根據(jù)機(jī)位排布位置及距離情況設(shè)定，初始默認(rèn)3 s；

(3)故障機(jī)位收的到SCADA傳來的絕對風(fēng)向，以此作為參考，繼續(xù)執(zhí)行抗臺偏航指令。

風(fēng)電機(jī)組在遇到極強臺風(fēng)將風(fēng)向標(biāo)等測風(fēng)器件摧毀時，風(fēng)機(jī)能夠借助升壓站場級中央監(jiān)控系統(tǒng)獲得相鄰機(jī)位的平均風(fēng)向作為控制參考，繼續(xù)執(zhí)行偏航抗臺風(fēng)動作，體現(xiàn)出本策略的智能控制特點。

按照目前大部分機(jī)組安全鏈設(shè)計思路，如果安全鏈模塊動作，將會在電氣回路上切斷相關(guān)兩個繼電器。其中安全鏈回路串聯(lián)入偏航系統(tǒng)回路，即安全鏈動作后，偏航系統(tǒng)將不能繼續(xù)執(zhí)行偏航動作。

但在臺風(fēng)模式下，需要偏航系統(tǒng)在偏航自身無故障的情況下，繼續(xù)接受偏航指令動作，正常完成解纜、對風(fēng)等一系列動作。為了滿足臺風(fēng)模式對偏航系統(tǒng)的要求，需要對目前的安全鏈系統(tǒng)進(jìn)行改動，在其輸入端引入臺風(fēng)模式命令信號，直接并聯(lián)控制信號輸出端。該信號在機(jī)組進(jìn)入臺風(fēng)模式后，如偏航系統(tǒng)限位開關(guān)未觸發(fā)安全鏈，則由主控系統(tǒng)置為高電平，從而使在臺風(fēng)模式下，即使安全鏈斷開，只要偏航限位開關(guān)未被觸發(fā)，機(jī)組依然可以進(jìn)行偏航動作。

2 抗臺風(fēng)策略效果測試

對文中給出的海上大兆瓦機(jī)組的抗臺風(fēng)測略在Bladed軟件中進(jìn)行臺風(fēng)環(huán)境下的測試， 如圖3

所示，是模擬在35米/秒的強臺風(fēng)風(fēng)速下啟動抗臺風(fēng)模式時風(fēng)機(jī)所受載荷對比。從圖中可以看出，相比沒有抗臺控制策略而言，在啟動抗臺風(fēng)策略進(jìn)行主動偏航控制調(diào)整時，機(jī)組所受的載荷能夠減小30%～50%。進(jìn)一步地，如果在臺風(fēng)強度更大或者方向變化更大的情況下，本策略能夠?qū)C(jī)組起到明顯的主動保護(hù)效果。

圖3 抗臺風(fēng)模式下機(jī)組降載效果對比

3 結(jié)束語

圖4 具有抗臺風(fēng)策略的某海上風(fēng)電場實物圖

文中給出一種海上大兆瓦抗臺風(fēng)主動動作的控制策略。該策略主要應(yīng)用于臺風(fēng)來臨前的主動抵御，風(fēng)機(jī)可以通過左右偏航調(diào)整，時刻保持正對風(fēng)向。將臺風(fēng)對風(fēng)電機(jī)組葉片及機(jī)身的沖擊降到最小，保證風(fēng)電機(jī)組不被臺風(fēng)摧毀或由于臺風(fēng)減少使用壽命，大大減少了臺風(fēng)對風(fēng)電場投資帶來的經(jīng)濟(jì)損失。