一種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主動(dòng)凈空控制策略研究

引言

我國國家領(lǐng)導(dǎo)人做出了"中國二氧化碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和"的國際承諾,驅(qū)使著能源電力生產(chǎn)向綠色、低碳轉(zhuǎn)型。而風(fēng)電作為綠色可持續(xù)能源,可大量減少碳排放,因此促進(jìn)風(fēng)電消納是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的重要舉措。風(fēng)資源開發(fā)正逐漸轉(zhuǎn)向低風(fēng)速、高湍流的風(fēng)資源區(qū),此類風(fēng)場大都是山地復(fù)雜地形,極端陣風(fēng)風(fēng)況較多。陣風(fēng)特點(diǎn)是風(fēng)速與風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)均發(fā)生較大變化,易出現(xiàn)極端湍流和極端風(fēng)剪切疊加的情況,此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)面臨凈空不足的情況,行業(yè)內(nèi)已出現(xiàn)多次掃塔事故。

為了解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組存在的凈空不足問題,行業(yè)內(nèi)對(duì)此進(jìn)行了深入研究,各種監(jiān)測和控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。郭俊凱等人通過探究風(fēng)速、獎(jiǎng)距角、功率對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片一塔架凈空的影響,分析了葉片一塔架最小凈空工況下葉片的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。B.P.wi11iams等人提出在塔筒上安裝葉尖距離監(jiān)測裝置,在一定的有效監(jiān)測距離內(nèi),對(duì)凈空不足的情況做出響應(yīng)。M.M.Zhang等人通過新增可變后緣襟翼作為控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu),采用智能控制策略,使得葉根面外彎矩和葉尖變形量下降30%。L.Zhang等人[6]通過加裝毫米波雷達(dá),實(shí)時(shí)監(jiān)測葉片到塔架間的最小距離,并引入前饋控制,使得葉片到塔架的最小凈空值從5.65m提升到7.43m。

本文針對(duì)凈空不足問題,提出了一種通過激光凈空監(jiān)測雷達(dá)實(shí)現(xiàn)葉片一塔架凈空的實(shí)時(shí)監(jiān)測,在凈空不足時(shí)適當(dāng)增加獎(jiǎng)距角的策略,并選用實(shí)際機(jī)組進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1主動(dòng)凈空控制策略設(shè)計(jì)

1.1極端相干陣風(fēng)

陣風(fēng)在山地復(fù)雜地形容易出現(xiàn),它的特點(diǎn)是在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向發(fā)生大幅變化。根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)[7]載荷計(jì)算的定義,極端湍流模型,方向變化的極端相干陣風(fēng)的幅值為Vcg=15m/s,風(fēng)速變化上升時(shí)間為T=10s,實(shí)時(shí)風(fēng)速計(jì)算公式為:

風(fēng)速的上升與風(fēng)向從0到9cg的變化是同步進(jìn)行的,風(fēng)向變化量為:

則同步的實(shí)時(shí)風(fēng)向?yàn)?

圖1為陣風(fēng)的風(fēng)速、風(fēng)向變化示意圖,可以看出在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速與風(fēng)向都發(fā)生了驟變,這對(duì)風(fēng)機(jī)的載荷和凈空都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。

1.2極端風(fēng)剪切工況

根據(jù)IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)載荷計(jì)算的定義,極端風(fēng)切變Ews工況,瞬時(shí)(正向或逆向)垂直切變表示為:

瞬時(shí)水平切變表示為:

在Ews工況中的強(qiáng)負(fù)向風(fēng)剪切作用下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片在接近塔架時(shí),容易產(chǎn)生凈空不足的情況。若Ews和ECD工況發(fā)生疊加,葉片掃塔事故發(fā)生的概率會(huì)進(jìn)一步增加。

2主動(dòng)凈空控制策略的實(shí)現(xiàn)

2.1綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)

本文提出了一種激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)和機(jī)載式激光測風(fēng)雷達(dá)相結(jié)合的綜合凈空監(jiān)測系統(tǒng)及配套的主動(dòng)凈空控制策略,圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,激光凈空監(jiān)測系統(tǒng)可以部署于合適的位置,以實(shí)現(xiàn)對(duì)塔架一葉片凈空的實(shí)時(shí)監(jiān)測。當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)至可探測位置,凈空監(jiān)測系統(tǒng)的激光束可以迅速采集到葉尖測點(diǎn)到凈空監(jiān)測系統(tǒng)的距離,經(jīng)過坐標(biāo)變換,換算出塔架凈空值:機(jī)載式激光測風(fēng)雷達(dá)安裝于機(jī)艙上方,可以實(shí)時(shí)測量來流方向的風(fēng)剪切和風(fēng)速變化率。上述兩個(gè)設(shè)備的信號(hào)實(shí)時(shí)輸入風(fēng)力發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。

2.2主動(dòng)凈空控制策略架構(gòu)

本凈空控制策略采用激光雷達(dá)凈空監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)測量原始值作為輸入,在主控系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行坐標(biāo)變換等處理,算出葉尖到塔架的實(shí)時(shí)最小凈空值:機(jī)載式激光測風(fēng)雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測上風(fēng)向的豎直風(fēng)剪切和風(fēng)速變化率。當(dāng)換算出的實(shí)時(shí)最小凈空值小于凈空閾值時(shí),或豎直風(fēng)剪切小于風(fēng)剪切閾值,或風(fēng)速變化率大于指定閾值,則觸發(fā)主動(dòng)凈空控制。主動(dòng)凈空控制觸發(fā)后,會(huì)在原有獎(jiǎng)距角指令上疊加預(yù)設(shè)的補(bǔ)償值,削減風(fēng)輪面推力,提升塔架凈空。在經(jīng)歷延遲時(shí)間后,獎(jiǎng)距角補(bǔ)償值以斜坡速率退出。主動(dòng)凈空控制流程框圖如圖3所示。

3仿真評(píng)估

采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真軟件Bladed對(duì)該策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證,仿真模型為某3.3Mw雙饋機(jī)組,風(fēng)輪直徑164m,額定轉(zhuǎn)速1750r/min,在IEC規(guī)范工況設(shè)置下,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組凈空最小工況往往出現(xiàn)在DLC1.3(ETM風(fēng)況)與DLC1.5(Ews工況)。因此,對(duì)DLC1.3(ETM風(fēng)況)與DLC1.5(Ews工況)開展仿真驗(yàn)證,比較主動(dòng)凈空控制策略的應(yīng)用效果,從機(jī)組的獎(jiǎng)距角、凈空值等運(yùn)行參數(shù)著手進(jìn)行對(duì)比研究。

3.1ETM風(fēng)況仿真驗(yàn)證

本文給出某DLC1.3(ETM風(fēng)況)下的仿真結(jié)果,驗(yàn)證了主動(dòng)凈空控制策略的有效性。結(jié)合圖4說明開啟主動(dòng)凈空控制以后的效果:圖4(a)展示了工況中的風(fēng)速條件,平均風(fēng)速12m/s,縱向湍流強(qiáng)度為22%:圖4(b)展示了主動(dòng)凈空控制疊加的獎(jiǎng)距角:圖4(c)展示了主動(dòng)凈空控制開啟與否的獎(jiǎng)距角時(shí)序:圖4(d)展示了塔架最小凈空值的時(shí)序。在本次仿真時(shí)序的88s附近,主動(dòng)凈空控制觸發(fā),獎(jiǎng)距角進(jìn)行了及時(shí)補(bǔ)償,提升了機(jī)組在93~103s風(fēng)速極速上升時(shí)的凈空值。

3.2EWS風(fēng)況仿真驗(yàn)證

在DLC1.5(Ews風(fēng)況)下,會(huì)出現(xiàn)下風(fēng)輪面風(fēng)速顯著高于上風(fēng)輪面風(fēng)速的情況,即強(qiáng)負(fù)剪切工況,在此種工況下,葉尖發(fā)生掃塔的可能性會(huì)大幅度提升。結(jié)合圖5說明開啟主動(dòng)凈空控制以后的效果:圖5(a)展示了輪轂高度、上風(fēng)輪面和下風(fēng)輪面的風(fēng)速情況:圖5(b)展示了主動(dòng)凈空控制開啟與否的獎(jiǎng)距角時(shí)序:圖5(c)展示了塔架最小凈空值的時(shí)序。

傳統(tǒng)變速變獎(jiǎng)控制策略無法對(duì)負(fù)剪切做出直接響應(yīng),而應(yīng)用了主動(dòng)凈空控制策略以后,塔架最小凈空值提升1m。

4現(xiàn)場評(píng)估

本項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行批量應(yīng)用,且能實(shí)際捕捉到凈空不足并進(jìn)行補(bǔ)償。圖6展示了某復(fù)雜場址條件項(xiàng)目的應(yīng)用案例,圖6(a)展示了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速,圖6(b)展示了實(shí)測塔架凈空值和觸發(fā)閾值的時(shí)序,圖6(c)展示了主動(dòng)凈空控制疊加的獎(jiǎng)距角值。

從圖6可以看出,在現(xiàn)場復(fù)雜風(fēng)況條件下,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速開始驟增,實(shí)測塔架凈空值下降到觸發(fā)閾值以下,主動(dòng)凈空控制策略立即進(jìn)行獎(jiǎng)距角補(bǔ)償,塔架凈空值快速恢復(fù)到安全水平。

5結(jié)論

(1)本文針對(duì)復(fù)雜場址下風(fēng)電機(jī)組的凈空隱患和傳

統(tǒng)變速變獎(jiǎng)控制策略的局限性,提出了一種綜合性凈空監(jiān)測系統(tǒng)和配套的主動(dòng)凈空控制策略。

(2)根據(jù)Bladed仿真驗(yàn)證和現(xiàn)場實(shí)際驗(yàn)證,本控制策略可以在風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)中提升塔架凈空值,有利于整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì):也可以在實(shí)際復(fù)雜風(fēng)況下通過獎(jiǎng)距角補(bǔ)償,提升機(jī)組安全性,降低掃塔風(fēng)險(xiǎn)。