(國電聯(lián)合動力技術(shù)有限公司，北京 100039)

0 引 言

我國風(fēng)能資源儲量豐富，東海、南海海域具有風(fēng)能資源優(yōu)勢，適宜進行風(fēng)能開發(fā)，建立在海邊或海上的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)占據(jù)了風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的相當比例。然而在這兩個海域臺風(fēng)頻頻發(fā)生，而在臺風(fēng)來臨之際，風(fēng)機力學(xué)環(huán)境惡劣，超高的風(fēng)力載荷導(dǎo)致葉片損毀嚴重、損毀比例高，為后期投入和檢修維護帶來極大挑戰(zhàn)。由于臺風(fēng)的影響，我國海上風(fēng)電裝機容量遠遠低于陸上風(fēng)電裝機容量，因此，抗臺風(fēng)是海邊以及海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)面臨的一個巨大難題。

沿海和海上是臺風(fēng)頻發(fā)地區(qū)，臺風(fēng)對機組的危害包括兩個方面，一是風(fēng)速超過設(shè)計極限，引起機組結(jié)構(gòu)部件的損毀，包括葉片折斷、塔架倒塌、風(fēng)機傾覆等，臺風(fēng)來臨時，高壓輸電網(wǎng)會出現(xiàn)斷電或人為斷電的情況，使機組處于斷電狀態(tài)，偏航系統(tǒng)無法工作，機組受到巨大的外力沖擊，對機組結(jié)構(gòu)強度是個極大的考驗；二是風(fēng)向突變，機組在側(cè)向來風(fēng)的情況下，對變槳執(zhí)行機構(gòu)和偏航執(zhí)行機構(gòu)的破壞。隨著機組設(shè)計功率的提高、塔筒高度和葉片長度的增加，臺風(fēng)對機組的威脅也越來越大。

有關(guān)抗臺風(fēng)的方法，整機廠商往往更多通過優(yōu)化塔架結(jié)構(gòu)、增強塔架或葉片強度等實現(xiàn)，少有整機廠商通過控制策略的主控保護措施使機組處于相對安全的位置。文中給出的海上風(fēng)電機組抗臺風(fēng)的控制方法，可使風(fēng)電機組單機時刻保持主動性、對臺風(fēng)的變化主動進行偏航動作以減小風(fēng)機載荷，大大減小了臺風(fēng)對風(fēng)電機組的沖擊，且在風(fēng)速儀、風(fēng)向標失效時依然保持有效，適用于海上大型風(fēng)電機組單機抗臺風(fēng)控制。

1 海上大兆瓦抗臺風(fēng)策略設(shè)計

1.1 策略概述

本風(fēng)電機組抗臺風(fēng)策略該模式分為預(yù)解纜、臺風(fēng)兩個階段，模式的進退指令由中控人員通過SCADA系統(tǒng)遠程發(fā)出。在預(yù)解纜階段，機組首先收槳正常停機，判斷機組當前扭纜角度，根據(jù)機組狀態(tài)進行偏航解纜動作，將扭纜角度釋放360度以給下一階段調(diào)整偏航角度留出余量。待風(fēng)機完成偏航解纜動作之后，中控人員給出臺風(fēng)階段進入指令后，機組進入臺風(fēng)階段偏航調(diào)整狀態(tài)，在整個臺風(fēng)過程中，以臺風(fēng)主風(fēng)向為控制目標，不斷進行偏航調(diào)整，以求降低機組載荷。

1.2 抗臺風(fēng)策略主運行狀態(tài)邏輯設(shè)計

海上兆瓦級抗臺風(fēng)策略要求在中控系統(tǒng)給出“抗臺風(fēng)模式”指令后，機組正常停機，隨后進入預(yù)解纜階段。在該階段，如果偏航扭纜角度超過改機組余量設(shè)計扭纜角度，且滿足解纜操作的其他條件，則進行一次解纜動作，解纜動作需連續(xù)進行360度，隨后機組偏航系統(tǒng)正常對風(fēng)。抗臺風(fēng)模式指令解除(由中控室給出)，機組恢復(fù)至待機模式，待無其他故障信息，并滿足風(fēng)速、溫度等機組啟動條件后，機組自動正常啟動，抗臺風(fēng)策略運行狀態(tài)機過程如圖1所示。

當風(fēng)電機組進入抗臺風(fēng)模式后，機組首先正常停機，然后機組可進入追風(fēng)偏航狀態(tài)，在整個臺風(fēng)過程中，以臺風(fēng)主風(fēng)向為控制目標，不斷進行偏航調(diào)整，以求降低臺風(fēng)對機組的沖擊。特殊情況應(yīng)對：進入臺風(fēng)模式后，機組進行正常停機操作，此時若機組處于其他更高級別停機流程中，停機過程不會重復(fù)觸發(fā)，繼續(xù)執(zhí)行抗臺模式下的狀態(tài)機。

圖1 機組運行狀態(tài)機

1.3 抗臺風(fēng)模式執(zhí)行流程設(shè)計

在進入抗臺風(fēng)模式后的任何時刻，若收到模式解除指令，則風(fēng)電機組復(fù)位，轉(zhuǎn)入待機模式運行。

上述模式中的各階段的進退指令可由中控人員通過SCADA系統(tǒng)遠程發(fā)出控制。中控人員主要是根據(jù)氣象部門數(shù)據(jù)及風(fēng)電場氣象預(yù)測系統(tǒng)決定，通過SCADA系統(tǒng)手動給出。該模式優(yōu)選分為兩個階段，即STEP1-預(yù)解纜階段和STEP2-臺風(fēng)階段?？古_風(fēng)模式STEP1指令給出后，機組進入預(yù)解纜階段，在接到STEP2指令后則進入臺風(fēng)階段。在兩個階段的任何時刻，若收到模式解除指令，則機組復(fù)位后可轉(zhuǎn)入待機模式運行?？古_風(fēng)模式執(zhí)行流程及功能圖如圖2所示。

本策略偏航對風(fēng)動作的邏輯條件包括：Nmin平均風(fēng)速超過預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速閾值；以及T1時間內(nèi)平均偏航誤差超過預(yù)先設(shè)置的臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)誤差閾值γ。

圖2 抗臺風(fēng)模式主要流程及功能圖

具體地，上述偏航對風(fēng)動作的邏輯條件包括：N分鐘平均風(fēng)速超過預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速閾值；以及T1時間內(nèi)平均偏航誤差超過預(yù)先設(shè)置的臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)誤差閾值γ。即滿足上述條件后，啟動偏航對風(fēng)動作。根據(jù)臺風(fēng)區(qū)相關(guān)數(shù)據(jù)及文獻發(fā)現(xiàn)，在臺風(fēng)來臨24小時內(nèi)，上述邏輯條件的默認設(shè)置值為：5 min平均風(fēng)速超過6 m/s；以及30 s內(nèi)平均偏航誤差超過對風(fēng)誤差閾值30度。此時的γ值是臺風(fēng)風(fēng)況下的對風(fēng)偏差值，不同于正常運行時偏航對風(fēng)的閾值誤差β。

1.4 極端情況處理

考慮到在臺風(fēng)模式下，由于風(fēng)況極端，瞬時風(fēng)速可以達到40m/s以上，常有風(fēng)向標、風(fēng)速儀這一類風(fēng)況傳感器被臺風(fēng)摧毀的情況發(fā)生。為了應(yīng)對這種極端情況，本策略特設(shè)計使用SCADA系統(tǒng)將當前風(fēng)電機組相鄰機位(優(yōu)選兩個機位)風(fēng)向平均值傳給本臺機位，作為本臺機位在風(fēng)向標失靈的情況的參考偏航風(fēng)向。具體互動過程如下：

(1)當前機組檢測到風(fēng)向標故障，同時給SCADA系統(tǒng)傳出風(fēng)況傳感器故障信息Alarm1；

(2)SCADA收到Alarm1時，取故障機位的相鄰兩個機位的絕對風(fēng)向，做移動平均值計算，并間隔一定時間傳給故障機位作為風(fēng)向參考；所述時間根據(jù)機位排布位置及距離情況設(shè)定，初始默認3 s；

(3)故障機位收的到SCADA傳來的絕對風(fēng)向，以此作為參考，繼續(xù)執(zhí)行抗臺偏航指令。

風(fēng)電機組在遇到極強臺風(fēng)將風(fēng)向標等測風(fēng)器件摧毀時，風(fēng)機能夠借助升壓站場級中央監(jiān)控系統(tǒng)獲得相鄰機位的平均風(fēng)向作為控制參考，繼續(xù)執(zhí)行偏航抗臺風(fēng)動作，體現(xiàn)出本策略的智能控制特點。

按照目前大部分機組安全鏈設(shè)計思路，如果安全鏈模塊動作，將會在電氣回路上切斷相關(guān)兩個繼電器。其中安全鏈回路串聯(lián)入偏航系統(tǒng)回路，即安全鏈動作后，偏航系統(tǒng)將不能繼續(xù)執(zhí)行偏航動作。

但在臺風(fēng)模式下，需要偏航系統(tǒng)在偏航自身無故障的情況下，繼續(xù)接受偏航指令動作，正常完成解纜、對風(fēng)等一系列動作。為了滿足臺風(fēng)模式對偏航系統(tǒng)的要求，需要對目前的安全鏈系統(tǒng)進行改動，在其輸入端引入臺風(fēng)模式命令信號，直接并聯(lián)控制信號輸出端。該信號在機組進入臺風(fēng)模式后，如偏航系統(tǒng)限位開關(guān)未觸發(fā)安全鏈，則由主控系統(tǒng)置為高電平，從而使在臺風(fēng)模式下，即使安全鏈斷開，只要偏航限位開關(guān)未被觸發(fā)，機組依然可以進行偏航動作。

2 抗臺風(fēng)策略效果測試

對文中給出的海上大兆瓦機組的抗臺風(fēng)測略在Bladed軟件中進行臺風(fēng)環(huán)境下的測試， 如圖3

所示，是模擬在35米/秒的強臺風(fēng)風(fēng)速下啟動抗臺風(fēng)模式時風(fēng)機所受載荷對比。從圖中可以看出，相比沒有抗臺控制策略而言，在啟動抗臺風(fēng)策略進行主動偏航控制調(diào)整時，機組所受的載荷能夠減小30%～50%。進一步地，如果在臺風(fēng)強度更大或者方向變化更大的情況下，本策略能夠?qū)C組起到明顯的主動保護效果。

圖3 抗臺風(fēng)模式下機組降載效果對比

3 結(jié)束語

圖4 具有抗臺風(fēng)策略的某海上風(fēng)電場實物圖

文中給出一種海上大兆瓦抗臺風(fēng)主動動作的控制策略。該策略主要應(yīng)用于臺風(fēng)來臨前的主動抵御，風(fēng)機可以通過左右偏航調(diào)整，時刻保持正對風(fēng)向。將臺風(fēng)對風(fēng)電機組葉片及機身的沖擊降到最小，保證風(fēng)電機組不被臺風(fēng)摧毀或由于臺風(fēng)減少使用壽命，大大減少了臺風(fēng)對風(fēng)電場投資帶來的經(jīng)濟損失。