風力發電機組塔架凈空優化的變槳控制方法

楊娟霞，李強，趙樹椿，肖飛

（北京金風科創風電設備有限公司，北京 100176）

0 引言

風電是實現綠色低碳發展和生態文明建設目標的關鍵支撐。2020年“風能北京宣言”中指出，在“十四五”規劃中，須為風電設定與碳中和國家戰略相適應的發展空間：保證年均新增裝機5000萬千瓦以上。2025年后，中國風電年均新增裝機容量應不低于6000萬千瓦，到2030年至少達到8億千瓦，到2060年至少達到30億千瓦[1]。提升技術經濟競爭力是風電實現規模化、平價化發展的主要方法，高可靠性和低度電成本是評價風力發電機組競爭力的重要指標。更大葉輪直徑，輕量化葉片是降低機組成本的有效手段，同時也面臨著嚴峻的挑戰，在極端風況下，長柔葉片的形變更大，增大了葉片塔架碰撞的概率。因此，塔架凈空是長柔葉片開發中考慮的關鍵因素。

針對長柔葉片的塔架凈空約束問題，國內外學者從不同的角度探索了保護優化方案。文獻［2］從基于可靠性的風機設計角度闡述了概率方法的應用，包括關鍵失效模式極限狀態的建模、不確定參數的隨機模型、可靠性估計方法等方面，和傳統的設計方法IEC61400-1[3]相比，是一種更經濟的設計方法。針對塔架凈空的保護也有相關的方案：文獻［4］通過傳感器測量出葉尖在面外的形變，作為控制系統的反饋信號，設計了獨立變槳算法，不僅可以提升凈空，還可以降低機組關鍵部件的疲勞載荷。專利［5］中根據測量的機組運行值和葉片負載值估算塔架凈空，當檢測到塔架凈空低于某個閾值時，為三個不同的槳距設置提供單獨的槳距指令以避免極小凈空事件發生。以上已有方法理論相對復雜，魯棒性較差，工程化實現困難。

綜上分析，本文提出了一種風力發電機組凈空優化的變槳控制方法，基于仿真平臺評估了該算法的有效性，并在樣機上進行了測試。結果表明：該方法可以有效提升塔架凈空，避免在極端風況下葉片和塔架碰撞，保護機組的安全。

1 凈空優化控制器設計

1.1 風力發電機組塔架凈空特性分析

以一大葉輪機組的仿真結果為例，如圖1（a）是IECdlc12正常發電工況的塔架凈空隨風速的變化特性，圖1（b）是葉輪面推力-風速相關性，針對該機型，在9m/s附近葉輪面的推力達到最大，塔架凈空最小。參考風力發電機的轉矩-轉速運行特性圖1（c）所示，風速在9m/s附近，葉輪的轉速達到額定轉速nr，還未變槳，此時葉輪面受到的推力最大，葉片的變形最大，塔架凈空最小，變槳以后，塔架凈空增大，如圖1（d）。因此，在塔架凈空較低時，可以通過增大槳角減小葉輪面的推力，從而避免塔架凈空的持續下降。

圖1 塔架凈空特性分析

1.2 基于測量凈空的變槳控制器設計

如圖2是風力發電機組塔架凈空系統拓撲圖，其中101是塔架凈空監測采集裝置，部署于合適的位置，可以選擇機艙下方。當葉片旋轉至最低點時，該采集裝置實時檢測并計算塔架凈空值。102是風力發電機組控制系統，計算的塔架凈空數值實時傳入控制系統，實施變槳控制保護。

圖2 塔架凈空系統拓撲圖

變槳控制是風力發電機閉環控制的主要部分，經典變槳控制內容可以參考文獻［6］。考慮凈空優化的變槳控制器如圖3所示，其中，基于測量凈空的槳角補償器邏輯如圖4所示。

圖3 凈空優化變槳控制器

圖 4 基于測量凈空的槳角補償器

圖3中，yg是風力發電機組轉速信號，yc是測量塔架凈空信號，r是目標轉速信號，e是轉速偏差信號，u’是基于測量凈空計算的槳角補償量，u是變槳控制器最終輸出的槳角給定值，在穩定轉速的同時，改善塔架凈空。

圖4中，首先對測量的塔架凈空信號進行處理，獲取測量凈空有效值，如果測量凈空低于機組停機保護值，立即執行停機保護；否則，基于當前測量凈空查表計算得到槳角補償量。基于測量凈空的槳角補償器輸出動態槳角補償值，從而在凈空低的時候適當提升槳角，提升塔架凈空。

2 仿真評估及載荷影響分析

2.1 仿真評估

本文以ETM（Extreme Turbulence Model）和EWS（Extreme Wind Shear）兩種極端風況下的仿真結果為例說明第1章中描述的變槳控制器對凈空的優化效果。ETM和EWS分別是文獻［3］所述標準中定義的極端湍流風和極端風剪切工況。仿真控制器基于C++環境開發。

ETM風況的仿真結果如圖5所示：5（a）是極端湍流風，風速的均值是9.41m/s，湍流是29%；5（b）是測量塔架凈空信號；5（c）是槳角補償器以測量的凈空信號為輸入計算的槳角補償量；5（d）是開啟槳角補償器前后的槳角對比；5（e）是開啟槳角補償器前后的最小凈空對比，開啟以后，最小凈空提升1.4m。

圖5 ETM極端湍流風工況下仿真結果

EWS風況的仿真結果如圖6所示：6（a）是EWS風況下葉輪面的風速變化時序，極端風剪切來臨時刻，上葉輪面的風速快速減小，下葉輪面的風速快速增大，增大了葉片碰撞塔架的風險；6（b）是開啟槳角補償器前后的槳角對比，6（c） 開啟槳角補償器前后的最小凈空對比，可以看出，通過槳角補償，極端風剪切工況下的凈空可以提升1m。

圖6 EWS極端風剪切工況下仿真結果

2.2 載荷影響分析

部件疲勞載荷也是大葉輪機組設計中的關鍵制約因素，因此需要考慮凈空優化的方案對機組關鍵部件疲勞載荷的影響。以上述仿真為例，采用文獻［7］中描述的雨流計數算法計算機組20年等效疲勞載荷。圖7是開啟凈空優化前后機組的關鍵部件葉根、塔底、變槳疲勞載荷對比，可以看出，凈空優化方案對機組的疲勞載荷幾乎沒有影響。

圖7 開啟凈空優化前后機組關鍵部件疲勞載荷對比

3 樣機測試結果

該方案已經在現場小批量應用，相關算法在PLC控制器中實現。圖8是在一臺MW機組上的測試結果，該機組所處山地地形，風況較復雜。8(a)是測試風速，風速均值7.3m/s，湍流23%；8(b)是測試轉速，額定轉速是14pm；8(c)是測試塔架凈空信號，機組運行在額定轉速附近且風速湍流較大，塔架凈空波動較大。當塔架凈空低于設定保護值時刻，給出槳角補償量，如8(d)；8(e)和8(f)分別是變槳角度和變槳速率，槳角補償后，變槳角度增大，葉輪面的推力減小，使得在惡劣風況下，葉片形變減小，塔架凈空有所提升，保證了機組的安全。

圖8 樣機測試結果

4 結論

文章介紹了一種風力發電機組凈空優化的變槳控制方法，通過對塔架凈空的特性分析，設計了基于測量凈空的變槳優化控制器，并通過仿真分析和樣機測試驗證了算法的有效性。該算法可以有效提升塔架凈空值，極大降低了極端風況下葉片塔架碰撞的概率，提高了機組的可靠性。同時，評估證明該項技術對機組關鍵部件的疲勞載荷無影響。該方法在風力發電機的設計優化中有非常重要的作用，通過對塔架凈空的保護有助于長柔葉片的開發及應用，不僅可以實現葉片的減重降本，還可以捕獲更多的風能，提升發電量，從而提升機組的競爭力。同時，該方法工程化簡單，容易推廣應用。

風力發電機組配置了塔架凈空保護系統以后，葉片開發中凈空約束的安全系數在一定程度上可以降低，從而對標準進行修訂，這是未來要研究的概率設計方法。