風電機組葉尖凈空分析與控制

王文亮，張國強，李璇燁

(1.國電聯合動力技術有限公司，北京 100039；2.風電設備及控制國家重點實驗室，北京 100039)

0 引 言

隨著技術的發展成熟以及對制造成本的要求，風電機組單機容量不斷增大，風輪直徑越來越長。目前陸上風電機組單支葉片長度已經達到80 m，海上機組甚至超過了100 m。葉片逐步大型化勢必會帶來重量的增加和載荷的變大，考慮制造成本等多方面因素，目前常用的解決方法是將葉片設計越來越柔軟。

葉尖凈空是指風電機組葉片在運行過程中葉尖到塔筒表面的幾何距離，在葉片經過塔筒附近時此距離達到最小，最小凈空距離是目前風電機組設計過程中的考慮的主要極限之一[1]。葉片柔性的增加勢必帶來變形的增加，給葉尖凈空帶來不利影響。在機組運行過程中，若葉尖凈空值太小，極可能發生葉片掃塔現象，造成葉片結構損壞，嚴重時可能引起倒塔事故，造成重大人身財產安全。文獻[2]采用獨立變槳的方式，提高葉尖凈空的同時，降低了關鍵零部件的疲勞載荷。文獻[3]通過在未達到額定風速時提前變槳的控制方法，減小了機組推力，增大了最小凈空距離，算法簡單但對發電量有一定的影響。文獻[4]通過凈空傳感器裝置，監測可能發生掃塔的葉尖凈空，采用模糊邏輯控制器實現了最小凈空的控制。

本文基于風輪的空氣動力學特性，分析了影響葉尖凈空的因素，提出了一種基于凈空距離監測反饋的控制算法，并對仿真結果進行了分析。仿真結果表明凈空監測及控制算法系統的有效性，具有推廣應用價值。

1 風輪氣動性能分析

1.1 風輪氣動特性分析

風電機組由多種設備組成，運行時具有多個運動自由度，機組設計需對此進行結構動力學特性分析，主要分為有限元法和模態分析法2種。DNV公司的Bladed軟件是風電機組設計和載荷計算常用軟件之一，其采用模態分析理論，將葉片、塔筒等部件作為柔性部件進行建模，能夠對靜態曲線和動態運行進行仿真。

葉片是典型的柔性部件，分析時可將葉片假設為沿葉展方向的多個剛性節點的組合。不考慮塔筒變形時，葉尖凈空距離是葉片各節點位移的累計，在垂直于風輪平面方向的投影。對于葉片任意節點，運動方程為[5]

(1)

葉尖變形可簡化為僅考慮垂直風輪平面方向的位移，此時合外力Fa主要是葉片節點的空氣動力學推力。

根據動量葉素理論[5-6]，風輪所受推力可以表示為

(2)

式中，ρ為空氣密度；R為風輪半徑；V為來流風速；CT為推力系數。

推力系數是風輪自身的氣動特性之一，主要由葉尖速λ比和槳距角β決定[7]。葉尖速比λ是無量綱變量，表示風輪葉尖的線速度與風速的比值，將風速V和風輪轉速w兩個變量綜合為一個變量進行分析

λ=(w×R)/V

(3)

據此，在特定風速下，風輪所受推力正比于風輪推力系數，式(2)可以化簡為

FT=KfCT(λ，β)

(4)

1.2 靜態曲線

以2 MW某機型為例，基于Bladed軟件在切入風速到切出風速區間內進行靜態曲線計算，如圖1所示。

圖1a為風輪推力隨風速變化的靜態曲線，可以看出，低風速段隨著風速的增加，風輪推力逐漸變大；在額定風速附近，機組受到的推力達到最大；額定風速以上隨著風速的增加，推力值反而變小。

靜態曲線仿真結果可以得到運行風速區間內槳距角(見圖1b)和葉尖速比(見圖1c)隨風速的變化情況。

圖1 目標風電機組的靜態曲線

圖2為階梯仿真風速及對應葉尖凈空示意。由圖2可以看出，葉尖最小凈空隨著風速的增加先變小后變大，在額定風速附近達到最小。結合圖1a的靜態推力曲線，葉尖最小凈空與風輪推力呈現明顯負相關非線性關系，因此可將葉尖最小凈空LC0表示為

圖2 階梯仿真風速及對應葉尖凈空示意

Lc0=G(FT)

(5)

式中，G表示負相關。

將式(4)帶入式(5)，得到

Lc0=G(KfCT(λ，β))=KcGc(CT)

(6)

2 葉尖凈空影響因素分析

由上節可知，葉尖凈空最小值出現在風輪所受最大推力時刻，而推力值與推力系數成正比，因此，增大葉尖凈空值的目標就可以轉化為減小特定風速下推力系數CT。由圖2可知最小凈空出現在額定風速附近，因此，將運行區間分為低風速(6 m/s)和高風速(14 m/s)2種情況分別進行具體分析。

推力特性可用推力系數CT隨葉尖速比和槳距角變化的一簇曲線表示[8]，圖3、4為不同槳距角的CT曲線。

圖3 小風下的推力系數曲線

2.1 低風速(6 m/s)

由圖1風電機組的靜態曲線可知，6 m/s風速對應的槳距角β=0，葉尖速比λ=11.62，對應于圖3曲線的A點。

根據圖3曲線趨勢，減小A點對應的CT可從2方面分析：減小葉尖速比λ，使A點CT沿β=0 rad曲線向B點移動。風速一定時可降低當前風輪轉速實現；增大槳距角β，使CT-λ曲線下移，即A點CT沿AC方向移動。增大槳距角可通過變槳控制實現。

2.2 高風速(14 m/s)

由圖1靜態曲線可知，14 m/s風速對應的槳距角β=0.22 rad，葉尖速比λ=5.98，對應于圖4曲線的A點。

圖4 大風下的推力系數曲線

與低風速情況類似，也可以從2個方面來降低A點對應的CT：增大葉尖速比λ，由于大風時機組運行轉速已達到額定限值，無法增大風輪轉速，此方法無法實現；增大槳距角β，大風時變槳控制系統在實時動作，此時可通過疊加一個額外槳距角來實現凈空控制。

3 策略控制算法實現

綜合上節凈空分析結果，本文設計了一種基于機組運行狀態的凈空監測與控制系統。實時監測機組運行過程中葉片凈空的變化情況，通過主控系統預防凈空距離劣化，并在檢測到危險凈空時啟用機組保護機制。

3.1 凈空監測系統

本凈空控制算法基于一套高精度凈空監測系統，在機艙位置處安裝高速攝像機，實時拍攝葉片穿越塔筒位置處圖像，經過智能圖像識別技術，將圖像數據轉為實時的葉尖凈空距離Lc，傳輸到主控制系統。

3.2 算法實現架構

本凈空控制系統采用實時動態閾值方式，覆蓋整個機組運行范圍，保證機組在全風速下不發生葉尖掃塔事故。控制算法根據當前的運行狀態數據，計算出實時的凈空控制閾值Lt和凈空危險閾值Ltmin。凈空控制閾值Lt表示啟用凈空控制的下限值，凈空危險閾值Ltmin表示啟用安全保護條件的下限值，Ltmin

通過對比實測凈空值Lc和兩閾值的關系，進入相應的控制流程，整體算法架構如圖5所示。

圖5 凈空控制算法流程

實測凈空值Lc>Lt時，代表當前運行凈空處于正常范圍，不需要啟用凈空控制。若LcLtmin時，表示當前凈空值處于不正常范圍，系統發出預警，控制系統根據Lc和Lt的差值大小執行相應動作，增大葉尖的凈空距離。若實測凈空值Lc

3.3 凈空閾值確定

由上節可知，機組運行狀態可依照風速劃分多個區間，每個區間設置不同的Lt和Ltmin。通過對大量運行數據的統計分析，得到每個風速區間的最小凈空距離統計表1D-Lt(V)，如圖6所示。

圖6 不同風速段的最小凈空距離

目前風電機組風速數據來源于風輪后的風速儀，測量值受到風輪、葉片等擾流等影響，可靠性不高。實際控制系統中機艙風速測量值一般不作為控制輸入量，本文設計了基于發電機轉速Wg和槳距角β的二維凈空閾值表：2D-Lt(Wg，β)。機組運行狀態根據不同的發電機轉速和槳距角組合，形成多個運行區域。圖7為數據統計的葉尖最小凈空在不同發電機轉速和槳距角區域內的大小。

圖7 最小葉尖凈空2D閾值曲面

考慮機組的凈空安全裕量和設計極限，統計圖中最小凈空值乘以相應的設計系數，即可得到凈空控制閾值表和凈空危險閾值表。根據機組的運行狀態和外部環境等數據，可將機組運行狀態進一步細化，形成多維的凈空閾值表。此部分內容暫不在本文中展開討論。

4 控制仿真結果

由于無法通過軟件仿真的方式實時改變葉尖變形程度，本文采用程序模擬凈空超閾值的方式，在60～90 s時間段內觸發超限故障，分別在6 m/s和14 m/s工況下，仿真了無凈空控制和啟用凈空控制的開環控制效果。

4.1 低風速(6 m/s)仿真結果

圖8為在6 m/s風速下開啟和關閉控制算法葉尖凈空對比。從圖8可以看出，開啟凈空控制算法與關閉凈空控制算法相比，最小葉尖凈空值從9.4 m增大到10.5 m，增大了11.7%；并且控制響應時間很快，在超限觸發后，下一支葉片凈空值實現了顯著的增加。圖9為2種仿真的槳距角對比，可以看出，開啟凈空控制算法，在6 m/s風速進行了一定角度收槳。

圖8 開啟和關閉控制算法葉尖凈空對比

圖9 小風速凈空控制開啟與關閉槳距角對比

4.2 高風速(14 m/s)仿真結果

圖10為14 m/s風速下開啟和關閉控制算法葉尖凈空對比。從圖10可以看出，開啟凈空控制算法后最小葉尖凈空值從11.2 m增大到11.6 m，增大了3.57%，此時凈空值超閾值程度小，故調節動作量較小；控制響應時間很快，在超限觸發后下一支葉片凈空值就實現了顯著的增加。圖11是2種仿真的槳距角對比圖，在轉速控制槳距角變化的基礎上，疊加了凈空控制的槳距角需求。

圖10 開啟和關閉控制算法葉尖凈空對比

圖11 大風速凈空控制開啟與關閉的槳距角對比

5 結 論

本文以柔葉片風電機組為研究對象，采用空氣動力學性能分析了葉尖速比和槳距角對推力系數的影響，提出了針對葉尖凈空的有效控制方式；基于葉尖凈空探測設備設計了一套凈空監測與控制系統；根據仿真數據整合得到凈空控制閾值和凈空危險閾值。以某2 MW模型仿真了凈空控制算法的葉尖凈空距離控制效果，可得出以下結論：

(1)葉尖凈空距離隨風速變化先減小后增大，最小凈空出現在額定風速附近。

(2)葉尖凈空與風輪所受推力呈負相關關系，即改變風輪推力可以實現葉尖凈空距離的調整。

(3)仿真結果表明凈空控制算法實現了葉尖最小凈空距離的調節，并且能夠快速響應。

(4)凈空監測與控制系統的應用，能夠有效避免葉片掃塔事故發生，具有重要的應用推廣價值。