暴风状况下风力发电机组的控制策略
Yen-Chieh Wang & Chih-Bor Lin & Jui-Hung Liu
工业技术研究院, 风能设备技术部，台湾新竹
Mail: yejwang@.tw , januarymax@.tw, dof@.tw
摘要：在亚太地区如中国，台湾和日本，超级台风往往对风力发电机造成严重损坏。

在这种情况下，最重要的是解决台风造成的破坏。

风力发电机在暴风情况下要经受极限载荷。

为使风力发电机适应台风天气，必须对控制策略做出适当的调整。

本文旨在寻找一个能在暴风天气下有效减少结构载荷的上风向控制策略。

关键词：台风，控制策略，Bladed
1.介绍
2008年9月28日，台风”蔷薇”袭击台湾。

当时观察到的最大阵风风速为65m/s，台风中心的平均风速为56m/s。

台湾电力公司正在运行的，由Vestas, GE，Harakosan(原弘),和Gamesa供货的风力发电机被损坏。

位于台中的由原弘供货的一台风力机的第二节塔架倒下，三片桨叶严重毁坏，其它风力发电机的桨叶和齿箱被损坏。

原弘风力机是台湾第一台倒下来的风力机。

在2007年8月8日，台风“帕布”袭击台湾。

Vestas的一台风力机起火，机舱罩被烧毁。

台风每年都袭击台湾，导致重大损失。

一类风场风力发电机可适应的风速(V e50)为70m/s［1］，当风速超过(V e50) 时，会导致结构性损坏。

2003年，超级台风“鸣蝉”袭击日本南部的冲绳岛，瞬时的最大风速为74.1m/s［2］。

因为极限风况的作用，很多研究致力于如何减轻极限风速的影响。

比方说，2003年在宫古岛台风“鸣蝉”对风力发电机的破坏就很好地体现了这一点。

在东亚地区需要抗台风的机型以减少系统的维修和故障诊断。

2.运行情况
到目前为止，所有在台湾安装的风力机均采购自欧洲和美洲。

所有风力机的设计都是按照IEC风力机标准等级，但是上述等级标准并不适合有台风情况的亚洲地区。

IEC等级环境的控制系统设计没有考虑暴风情况，特别是对台风风向的追踪策略。

当台风席卷台湾时，出于安全的考虑，风场基本上把风力机的操作状态拨到空转甚至关掉机器。

从控制策略跟风来看，风力发电机的载荷分布是不同的。

让风机跟随风向或者与机舱垂直，哪种方式更好？最大的载荷会产生什么样的偏航系统故障呢？在GH开发的Bladed软件的帮助下，可以模拟影响载荷和输出性能的各种变桨动作工况。

3.仿真模型
仿真的模型为2MW变速变桨风力发电机。

把通用型的2MW 变速变桨风力发电机模型作为一个试验台，见图1。

利用GH公司开发的设计软件Bladed,可设计出不同的风况，分析结构载荷，以验证控制策略。

所以，通过不同风速下各种偏航和变桨系统控制间的载荷计算，可以对控制策略做出适当的调整，以确保风力机的可靠性和可用性。

变速变桨风力发电机通过改变桨叶角度来减少多余的功率，在高风速期间保持额定的功率输出。

当风速达到切出风速时，桨叶快速顺桨，风轮减速后，由气动刹车刹停。

桨距角的变化要满足不同工况下的运行需要，如开机，紧急停机等。

不同的工况下都有桨距角调整策略，在暴风风况下尽量输出最佳的桨距调整策略。

图1 风力发电机模型
4.风向和载荷计算
台湾台中市的风力发电机在台风情况下最初是把上风向调到下风向。

这种设计使风力机的塔架严重损坏。

发生事故后，控制策略被重新调回了上风向。

在台风情况下，极限风速和紊流强度可能超过了IEC定义的等级标准，所以，控制策略不容易定义。

本文将讨论台风情况下是否对风的控制策略（上风向或下风向）。

当风力发电机遭受极限风速和强紊流时，风向随时变化，偏航控制是调节桨叶和塔架载荷的一个重要因素。

为了找出低载荷的工况，需要来分析一下偏航策略。

在Bladed模拟中，叶片和机舱的力和力矩坐标如图2。

Fy和Mx分别是风轮旋转时所受的力和惯量。

Fy和Mx是叶片的主要载荷。

接下来的分析我们主要集中在比较不同风向下叶片的力和力量。

前提是假定偏航没有破坏性的问题。

通过Bladed模拟环境设定一个风向固定，机舱由0度到180度旋转，分析不同风向下叶片和塔架的受力情况。

设定风向分别为45°,90°,180°，叶片角度为90度，风速为极限70m/s，台风平均风速50 m/s ，切出风速25m/s。

图2 叶片和机舱的力和惯量坐标
在25,50,75m/s三种风速下，塔架X方向的力矩和风向的关系如图2所示。

塔架力矩Mx的震动，50m/s比25m/s时大，75m/s比50m/s时大。

同时，随着风速的增加非震动区域逐渐消失。

在25到50m/s风速范围内，风向在90度的时候（桨叶角度在90度），由于风作用在叶片上的一个不平衡的力矩，震动就开始了。

在这种工况下，风轮马上顺时针和逆时针的交变旋转。

当风向超过90度时，震动逐渐减小，风向在160o附近，风轮顺时针方向旋转慢慢地趋于稳定。

在震动区域，风轮的不平衡旋转可能会导致风机塔架结构，齿轮箱，发电机或者叶片的损坏。

大部分风机都要考虑塔基的载荷。

因此，在台风时，我们要控制偏航角度处于非震动状态，以避免直接损坏或者疲劳损坏。

如图3所示，随着风速的改变，偏航故障的耐受性是变化的，所以，在高风速时，偏航速度要更快。

为了增强稳定性和发电量，偏航误差应该要放入控制环内。

图3 不同风速下的塔架力矩和风向
恒定的风速风向持续600s，叶片力矩如图4所示。

风向90度时，叶片的x方向的力矩持续600s后震荡没有终止。

其他几个情况大约持续50s后稳定。

对于稳态系统，风向从0到180度的变化可以作为一个参考，随着风向的变化，在恒定风向下会出现震动，产生不稳定工况。

图4 不同风向下的叶片力矩
这种情况下，根据风向0到180度要定义上风向和下风向。

另一个情况是风向180度，桨角270度。

如图5所示，桨角270度时，风轮转速最低，风向180度，桨角90度时风轮转速最高。

为了避免极限载荷工况，即要求风轮转速较低。

因为载荷不是正比于风轮转速，如图5b所示，低的风轮转速也可以达到很高的塔架载荷，高的风轮转速同样可以有低的塔架载荷。

低的风轮转速工况下震动衰减很快，所以在极限风况下可以避免某些不稳定的情况。

图5 比较桨角为90度和270度时的风轮转速和塔架扭矩
5.科学创新
分析结果为我们提高和调整控制策略提供了建议方案，该方案提高了风力发电机的输出效率。

分析结果显示了不同状况下风况的影响。

同时考查了如何在极限风速条件下获取更多的风能的变桨策略。

利用仿真工具和评估过程，显示了变桨系统运行策略的重要性。

未来将会引入针对亚太地区抗台风设计的变桨偏航系统的控制策略。

通过调节变桨和偏航角度，减轻桨叶，机舱和塔架结构的载荷。

仿真结果显示了暴风天气下风力发电机的极限载荷。

变桨和偏航控制策略显示，可以在安全的范围内减小结构载荷，以保证风力发电机的的可靠性和可用性。