大型海上漂浮式風電機組建模與減載控制

尹海峰，秦斌

湖南工業大學，湖南株洲，412007

0 引言

國家發改委能源研究所在2011年發布的《中國風電發展路線圖2050》[1]顯示，到2030年、2050年，中國風電裝機容量將占電源結構的15%和26%。近海風電在2021年底退補政策的影響下，其裝機容量得到了迅猛發展，目前已接近飽和。而遠海風電技術的發展雖然才剛剛起步，但是在風能質量、可利用風場面積上具有很大優勢，是未來深海風電發展的重要方向。影響海上浮動式風電機組運行特性與載荷特性的關鍵因素是風電機組的空氣動力學特性、波浪動力學特性與結構動力學特性以及風場的動態特性等系統特性。Openfast是美國國家可再生能源實驗室（NREL）設計的整機載荷計算軟件，得到了GL等認證機構認可，NREL和麻省理工學院通過OC4項目，在OpenFast平臺中對漂浮式風電機組進行了動力學理論建模，論文通過Openfast與Matlab/simulink聯合仿真，對5MW半潛式海上風電機組各子系統進行建模。

AQUINO等[2]提出一種魯棒控制策略，經過實驗驗證，該控制策略能明顯降低平臺的振蕩；戴巨川等[3]通過研究三柱式漂浮平臺及其與風機的動態耦合運動，在實物研究的基礎上提出了平臺載荷及運動分析模型。魯效平等[4]基于陸基風電機組的獨立變槳距控制策略，提出了專家PID控制器，經實驗表明該策略能有效減少平臺的縱搖載荷。

論文中模型的控制系統采用獨立變槳控制，雖然國內外對統一變槳距技術研究比較成熟，但是由于各葉片受風的不均勻性，采用獨立變槳控制可以對風輪各槳葉的槳距角進行獨立調節，在保證輸出功率穩定的同時降低作用在葉片上的不平衡載荷，并提高風機的工作效率。

1 漂浮式海上風力發電機子系統建模

海上風電機組基本原理是把風能轉化為機械能，由多場耦合而成，與陸基風組相比，內部需要額外考慮漂浮平臺的運動和錨鏈的運動，外部還需要考慮深海入流風、海上波浪情況和冰載荷的影響，各子系統關聯結構圖如圖1所示。

1.1 氣動系統

風輪捕獲功率為：

空氣動力學轉矩為：

其中，ρ為空氣密度，R為葉片半徑，V為迎面風風速，Ta為空氣動力轉矩，Cp(λ,β)為風能利用系數，λ為葉尖速比，ωt為風機轉子轉速。

風能利用系數Cp(λ,β)可用下式所示：

1.2 發電機系統

論文采用發電機模型為雙饋感應發電機，在d-q軸坐標系下建立電磁轉矩方程：

式中，Te為發電機的電磁轉矩；p為發電機極對數；Lm為定子、轉子繞組的互感；iSq、iRd、iRq、iSd分別為轉子繞組與定子繞組在q軸和d軸上的電流分量。

1.3 變槳系統模型

目前大型風電機組主要采用電-液伺服系統，在閉環控制系統中，變槳機構可用一階動力學方程近似表示：

式中，τ為時間常數，β是實際槳距角，dβ是參考槳距角。

風機實際運行時，為了保證功率的穩定運行以及降低疲勞載荷，一般將最大變槳速率限制在±8°/s，并且變化幅度一般在0~30°之間。

風電機組往往根據風速大小分為三個運行階段，即低風速階段、過渡階段和高風速階段。

當低于額定風速時，風力發電機組主要通過最大功率追蹤盡可能多地輸出功率。當高于額定風速時，處于高風速階段，此時需要通過變槳控制改變葉片攻角以降低輸出功率，NREL-5MW風電機組的額定風速是11.4m/s，考慮到深海處風速較大，普遍大于風機額定風速，因此論文主要研究高風速階段的變槳距控制。

1.3.1 統一變槳距控制

統一變槳距控制即在接收到變槳指令后，通過變槳距執行器使三個槳葉旋轉同樣的角度。如圖2所示。但這種控制方式忽略了風剪切效應和塔影效應產生的不平衡載荷的影響，將會降低葉片的使用壽命。

1.3.2 獨立變槳據控制

獨立變槳距控制能夠對轉輪中的各個槳葉的槳距角進行單獨控制，較好地解決了不平衡載荷使各葉片受力不均勻的問題，因此能有效地提高風電機組的穩定性以及可靠性。論文采用基于方位角權系數的獨立變槳距控制策略，相關控制原理如圖3所示。

基于風場模型，每個槳葉受到的平均風速[5]為

式中，R為葉片半徑，H0為輪轂中心高度，θ為葉片的方位角，v0為風輪中心的風速，i=1、2、3，第i個槳葉得到方位角權系數公式[5]如下：

風力機正常運行的過程中，風輪葉片周期性地掃掠，分段權系數獨立變槳控制策略可以根據風輪葉片旋轉到不同的位置，選用不同的權系數分配模型，產生相應的槳距角，從而達到減小風輪葉片的振動引起的不平衡載荷的目的。

1.4 風速模型

論文中所需要的風文件由前處理軟件TurbSim生成，TurbSim是一個全場的、隨機的三維湍流風仿真軟件，優勢是能根據槳葉半徑、輪轂高度、平均風速等參數的設置，生成所需要的隨時間和空間變化的三維湍流風速場。仿真采用平均風速為18m/s的三維湍流風，其風速大小主要取決于X軸上的分量，如圖4所示。

2 漂浮式風力機系統動力學模型

論文研究的對象為5MW的海上漂浮式風電機組，在美國國家再生能源實驗室提供的半潛式海上風力發電機的基礎上，在主輸入文件中設置相關參數，建立了5MW變速變槳風電機組的風速模型、氣動模型以及發電機模型等。機組的主要參數[6]如表1所示。

表1 風機主要參數

Simulink能夠以一個S函數的模塊來鏈接用戶自定義的Fortran程序，通過使用內嵌于S函數中的OpenFast運動方程，與MATLAB的標準通道子程序進行鏈接。圖5即為OpenFast非線性風機模塊。

Paraview是后處理軟件，將上述模型數據實時導入Paraview中，能顯示運行中的半潛式風電機組模型，如圖6所示。

3 仿真結果與分析

采用基于方位角權系數分配的獨立變槳距策略進行控制，得到的葉輪功率、葉片槳距角、發電機轉矩、葉根載荷、波浪高程、浮式平臺位移結果如圖7~12所示。

從圖中可以看出，浮式風機平臺受到海浪和風況的影響較大，采用獨立變槳距控制策略，能夠穩定輸出功率，并且從圖10可以看出，在獨立變槳距條件下的葉根載荷波動比統一變槳距小，有效地降低了載荷。

4 結語

論文以5MW半潛式漂浮式海上風電機組為背景，建立海上風電系統動態模型，并在Matlab/Simulink中搭建獨立變槳距控制系統等子系統模型，與Openfast中的OC4項目進行聯合仿真。較好地模擬了漂浮式風電機組運行中的各子系統的耦合情況和載荷情況，仿真結果驗證了該模型的準確性，并通過獨立變槳距與統一變槳距控制的對比試驗，驗證了獨立變槳距控制在減載方面的優越性。