臺風(fēng)型風(fēng)電機組塔架輕量化設(shè)計研究

趙進

（山西焦煤集團機電部，太原 030000）

隨著我國風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，大批風(fēng)電機組安裝在東南沿海。我國東南沿海地域臺風(fēng)頻繁登陸，對風(fēng)電機組以及風(fēng)電場帶來很大的危害。如浙江省自從1997年大規(guī)模開發(fā)風(fēng)電以來，共計受到22次臺風(fēng)影響，其中7次臺風(fēng)給風(fēng)電設(shè)備帶來損失高達百萬元，2次臺風(fēng)造成的損失更是高達千萬元以上[1]。隨著新建風(fēng)電場單機容量的不斷擴大，特別是風(fēng)電場在海上安裝時所受的影響更加明顯，一旦遭遇臺風(fēng)，將造成巨大損失。因此在風(fēng)電機組上開展抗臺風(fēng)能力研究的必要性越發(fā)凸顯。

國際上開展風(fēng)電機組抗臺風(fēng)技術(shù)研究的國家和地區(qū)主要有東南亞、日本、美國和中國等。早在2004年，日本就開始了風(fēng)電機組抗臺風(fēng)設(shè)計技術(shù)的研究。主要研究內(nèi)容為極端風(fēng)圖譜、載荷測試、極端風(fēng)速數(shù)據(jù)庫以及風(fēng)電場址評估和機組選型等。

2005 年，丹麥國家能源實驗室聯(lián)合菲律賓、越南等東盟國家開展了相關(guān)研究項目。通過對菲律賓國內(nèi)極限風(fēng)速以及風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)安全性設(shè)計要求的調(diào)查研究，分析了安全系數(shù)提高導(dǎo)致的機組成本增加的相關(guān)內(nèi)容。

美國船級社對臺風(fēng)環(huán)境下的海上風(fēng)電場和海上風(fēng)力發(fā)電機組的設(shè)計技術(shù)進行了研究，獲得美國政府大力支持。據(jù)報告[2-3]，應(yīng)用在臺風(fēng)地區(qū)的海上風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計載荷計算模型，建議采用API（美國石油協(xié)會）標(biāo)準(zhǔn)模型。

目前，對臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組進行研究的國際知名風(fēng)電機組制造商主要有三菱、VESTAS和GE。其重點研究內(nèi)容側(cè)重于極端風(fēng)速和極端風(fēng)載及其危害等方面，根據(jù)機組原有條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、策略控制等方面持續(xù)優(yōu)化和改進。

我國基于對近年來沿海登陸臺風(fēng)影響下極端風(fēng)速分布及其破壞機理的深入研究[4-7]，最終頒布了第一部臺風(fēng)環(huán)境下的風(fēng)電機組產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)——GB/T 31519—2015《臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組》[8]。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)臺風(fēng)控制策略，通過載荷計算，優(yōu)化塔架結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)塔架輕量化設(shè)計，由此可以帶來巨大的經(jīng)濟效益。通過現(xiàn)場載荷測驗，驗證理論設(shè)計的準(zhǔn)確性和可行性，將助力于我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沿海地區(qū)及海上型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展。

1 標(biāo)準(zhǔn)臺風(fēng)型風(fēng)電機組設(shè)計

1.1 研究對象

挑選浙江某沿海風(fēng)場為研究對象，該風(fēng)電場采用FD2000臺風(fēng)型機組，基本參數(shù)見表1。

1.2 載荷計算

臺風(fēng)型風(fēng)電機組載荷工況根據(jù) GB/T 18451.1—2012《風(fēng)力發(fā)電機組 設(shè)計要求》規(guī)定的載荷工況DLC1.1—DLC8.2，結(jié)合GB/T 31519—2015《臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組》規(guī)定的臺風(fēng)環(huán)境載荷工況，共同組成臺風(fēng)型風(fēng)電機組載荷工況DLC9.1—DLC9.14。

表1 FD2000臺風(fēng)型機組的基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of FD2000 typhoon unit

各載荷工況含義簡要說明：DLC9.1為發(fā)電兼有故障；DLC9.2—DLC9.4為正常停機；DLC9.5—DLC9.12為空轉(zhuǎn)；DLC9.13—DLC9.14為停機兼故障。利用BLADED載荷仿真軟件，計算機組葉根、輪轂中心、塔架頂部、塔基等主要部件的載荷，結(jié)果見表2。

表2 臺風(fēng)型風(fēng)電機組載荷計算結(jié)果Tab.2 Load calculation results of typhoon wind turbine unit

按照表 2的載荷結(jié)果對各部件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算，這里主要對塔架進行詳細闡述。根據(jù)塔基及各截面載荷，計算得塔架質(zhì)量約199 t。

2 臺風(fēng)控制策略風(fēng)電機組設(shè)計

2.1 臺風(fēng)控制策略設(shè)計

對臺風(fēng)型風(fēng)電機組塔基載荷進行分析可知，塔基極限載荷出現(xiàn)在DLC9.10工況。當(dāng)風(fēng)向處于0°或180°時，即機組處于上風(fēng)向或背風(fēng)向時，塔基載荷較小，約為最大值的50%，如圖1所示。若臺風(fēng)期間可保證機組持續(xù)處于對風(fēng)狀態(tài)，則塔基承受的載荷大幅下降，可實現(xiàn)機組輕量化設(shè)計?；诖怂悸?，開發(fā)臺風(fēng)控制策略，如圖2所示。

臺風(fēng)控制策略主要由SCADA 系統(tǒng)開發(fā)、機組控制優(yōu)化、供電備用系統(tǒng)、風(fēng)速風(fēng)向儀等四大部分組成。

2.1.1 SCADA 系統(tǒng)開發(fā)

SCADA承擔(dān)了偏航備用系統(tǒng)的三項主要任務(wù)：實現(xiàn)臺風(fēng)預(yù)警、臺風(fēng)過境提示功能；允許遠方控制全風(fēng)場進入偏航備用模式；保證在臺風(fēng)中電網(wǎng)失電時遠程啟動供電備用系統(tǒng)。

根據(jù)氣象預(yù)報信息，在臺風(fēng)到達48 h之前，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號。在臺風(fēng)登陸前24 h，偏航備用準(zhǔn)備狀態(tài)準(zhǔn)備就緒，并對風(fēng)場電網(wǎng)、通訊網(wǎng)絡(luò)、柴油機狀態(tài)等進行檢查。在臺風(fēng)登陸時，當(dāng)系統(tǒng)判定風(fēng)速大于設(shè)定值時，機組進入偏航備用模式。臺風(fēng)過境后，系統(tǒng)判定風(fēng)速小于設(shè)定值時，機組、電網(wǎng)線路、通訊網(wǎng)絡(luò)等各項風(fēng)場運行的必要項目開始自檢，并恢復(fù)機組正常運行。

2.1.2 機組控制優(yōu)化

實現(xiàn)功能主要包括：當(dāng)風(fēng)電機組運行在偏航備用模式時，能夠?qū)C組自動偏航的預(yù)警和告警信號進行屏蔽阻止，確保不對人員和機組設(shè)備造成安全影響。在臺風(fēng)過后，當(dāng)機組在未完成自檢以前，確保機組不能自動切換到運行狀態(tài)。如果SCADA操作者發(fā)出人為運行指令，系統(tǒng)仍能夠?qū)υ撝噶钸M行阻止。

2.1.3 供電備用系統(tǒng)

對風(fēng)電機組而言，保持持續(xù)偏航狀態(tài)非常重要。在供電備用電源設(shè)計時，考慮到在電網(wǎng)失電情況下，可以使用柴油發(fā)電機組向整個風(fēng)電場提供動力電源。在容量設(shè)置上，需要對風(fēng)電場內(nèi)供電線路數(shù)據(jù)、機組型式數(shù)量以及柴油機的功率因數(shù)等因素進行綜合考慮。

2.1.4 風(fēng)速風(fēng)向儀

在本機組上使用的風(fēng)速風(fēng)向儀最高只能測到50 m/s的風(fēng)速。臺風(fēng)期間風(fēng)速大、風(fēng)向改變快，為使偏航備用系統(tǒng)得到更高風(fēng)速及風(fēng)向信息，在選取合適的風(fēng)速風(fēng)向儀和測量方法方面需要進一步研究。

2.2 載荷計算

基于GB/T 31519—2015《臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組》設(shè)計的機組塔基載荷如圖 3所示。由圖 3可知，在DLC9.10k-3工況下，塔基極限載荷 Mxy的最大值為98 805 kN·m。在 DLC9.9a-4工況下，塔基載荷 Mxy第二高值為68 347 kN·m。

在臺風(fēng)環(huán)境下，臺風(fēng)控制策略主要影響的載荷工況是DLC9.10，原塔基極限載荷最大值為98 805 kN。由圖1可知，對風(fēng)狀態(tài)下的塔基載荷約為50 000 kN·m，所以采取臺風(fēng)控制策略可有效降低極限載荷。該值小于DLC9.9a-4工況下的第二載荷高值68 347 kN·m，所以在各臺風(fēng)載荷工況下，塔基極限載荷值應(yīng)為68 347 kN·m。結(jié)合GB/T 18451.1—2012工況DLC1.1—DLC8.2可知，在DLC1.5工況下，Mxy達到最大值，為75 549 kN·m。綜合分析可知，臺風(fēng)控制策略下的臺風(fēng)型機組塔基極限載荷為75 549 kN·m。

圖1 DLC9.10工況下不同對風(fēng)角度下的塔基載荷Fig.1 Tower base load at different wind angles under DLC9.10 working condition

圖2 臺風(fēng)控制策略流程Fig.2 Flow chart of typhoon control strategy

圖3 臺風(fēng)載荷工況下塔基載荷Fig.3 Tower base load under typhoon load

3 塔架輕量化設(shè)計及經(jīng)濟效益分析

經(jīng)過載荷計算得出，采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型風(fēng)電機組在降低塔架載荷，增加塔架設(shè)計安全裕度方面效果顯著。采用臺風(fēng)控制策略后，塔基Mxy載荷降低了 23.5%。根據(jù)塔基極限載荷和各截面載荷分布（如圖4所示），重新設(shè)計塔架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)塔架的輕量化設(shè)計，塔架質(zhì)量約173 t，減輕了13%。

圖4 新塔架隨著塔架高度變化的MxyFig.4 Mxy of new tower with height of tower

以浙江某沿海風(fēng)電場為例，風(fēng)電機組臺數(shù)按 24臺計算，采用臺風(fēng)控制策略對機組塔架進行設(shè)計后，質(zhì)量約為 173 t，而原來的臺風(fēng)型機組的塔架質(zhì)量約為199 t。塔筒加工、運輸單價為0.8萬元/t，則每個風(fēng)場的塔架節(jié)約建設(shè)成本499萬元。

采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型風(fēng)電機組，在臺風(fēng)期間需要偏航系統(tǒng)不斷對風(fēng)運行，備用電源采用三臺200 kW的柴油發(fā)電機，以保證供電連續(xù)性。預(yù)計在風(fēng)電機組20年壽命內(nèi)，柴油發(fā)電機購置費、油耗費、維護等費用總和約為83萬元。由此可知，節(jié)約成本約為416萬元。

綜上所述，臺風(fēng)型風(fēng)電機組通過采用臺風(fēng)控制策略，在實現(xiàn)塔架輕量化設(shè)計的同時，還能帶來良好的經(jīng)濟效益，對于降低投資風(fēng)險以及減少投資成本方面大有裨益。

4 現(xiàn)場載荷測試與分析

對浙江某沿海風(fēng)電場上A05和A06兩臺樣機塔架進行現(xiàn)場測試，其中 A05機組為基于 GB/T 31519—2015《臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組》設(shè)計的臺風(fēng)型機組，A06為采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型機組。

在進行機組載荷測試時，主要考慮葉片根部載荷、風(fēng)輪載荷、塔架載荷等主要載荷量。臺風(fēng)控制策略針對如何降低塔基載荷進行研究，本次試驗只對機組塔基載荷進行測試。

采用電阻應(yīng)變片對塔基的彎矩進行測量[9-10]，應(yīng)變片安裝在距離塔基法蘭上平面4.0 m處。實驗測試的數(shù)據(jù)采集模塊組成為：德國 IMC集成測控有限公司的 IMC CANSAS模塊 2個（SC16，DI16）；IMC CS7008主機模塊 1個。利用實驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對2018年 8月摩羯臺風(fēng)過境收集的數(shù)據(jù)進行處理，獲得2臺機組對風(fēng)狀態(tài)數(shù)據(jù)（偏航誤差角）和塔基載荷每個通道的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過實測數(shù)據(jù)通道間的實時計算，得到塔基的合成彎矩Mxy。

4.1 偏航誤差角對比分析

摩羯臺風(fēng)期間，通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，該風(fēng)電場最大風(fēng)速約36 m/s（10 min平均）。A05機組的對風(fēng)誤差如圖5a所示，可以看出，A05機組對風(fēng)偏差基本處在±50°區(qū)間內(nèi)，最大值為169°。A06機組的對風(fēng)誤差如圖5b所示，可以看出，A06機組對風(fēng)偏差基本處在±9°區(qū)間內(nèi)，并持續(xù)處在對風(fēng)狀態(tài)下。兩組風(fēng)機數(shù)據(jù)對比說明，運用臺風(fēng)控制策略的機組能夠?qū)崟r處于對風(fēng)狀態(tài)，也證明了對該策略的有效性。

圖5 兩機組臺風(fēng)期間對風(fēng)誤差數(shù)據(jù)Fig.5 Data of wind error of two units during typhoon

4.2 塔基載荷對比分析

通過A05和A06號機組塔基在臺風(fēng)期間Mxy載荷數(shù)據(jù)的對比分析（如圖6所示）[11]，得出普通臺風(fēng)型機組塔基Mxy值保持在40 000～50 000 kN·m區(qū)間，而運用臺風(fēng)策略的臺風(fēng)型機組塔基 Mxy值保持在22 000～34 000 kN·m之間，從而得出A06機組載荷值比A05機組載荷減小約16 000 kN·m。說明采用臺風(fēng)控制策略的風(fēng)電機組能有效降低塔基載荷，對塔架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計作用明顯，可實現(xiàn)機組輕量化。

圖6 A05和A06兩臺機組塔基Mxy值統(tǒng)計Fig.6 Mxy value statistics of tower baseof A05 and A06 units

4.3 實測載荷與理論載荷對比分析

摩羯臺風(fēng)期間，機組處的最大風(fēng)速為36 m/s，未達到設(shè)計的最大風(fēng)速42 m/s（10 min平均值）。為了對 A06機組在臺風(fēng)期間實測值與理論值的相關(guān)性進行評估，對比分析BLADED軟件計算的DLC9.10工況下的載荷數(shù)據(jù)與A06機組塔基Mxy實測值，如圖7所示。對比可知，A06機組塔基載荷實測值與仿真計算值相比略高，但基本走勢一致，處在25～34 m/s風(fēng)速區(qū)間段，相關(guān)性達到94.1%。這顯示了理論仿真計算結(jié)果與實測結(jié)果的高度一致性，同時也充分驗證了臺風(fēng)控制策略及塔架輕量化設(shè)計的可行性[12]。

圖7 A06機組塔基Mxy值實測值與仿真計算值對比Fig.7 Comparison between the measured value of Mxy of tower base of A06 unit and the simulated value

5 結(jié)論

在基于 GB/T 31519—2015《臺風(fēng)型風(fēng)力發(fā)電機組》設(shè)計的臺風(fēng)型風(fēng)電機組的基礎(chǔ)上，開發(fā)臺風(fēng)控制策略，進行載荷計算，并優(yōu)化塔架，實現(xiàn)塔基輕量化設(shè)計。最后通過對浙江某沿海風(fēng)電場2臺臺風(fēng)型風(fēng)電機組進行現(xiàn)場測驗，對比分析載荷數(shù)據(jù)，獲得如下結(jié)論。

1）采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型風(fēng)電機組，較臺風(fēng)型機組的塔基載荷降低了23.5%。重新設(shè)計塔架，塔架質(zhì)量降低了13%，實現(xiàn)了塔架的輕量化設(shè)計。單個項目節(jié)省資金416萬元，對投資者降低投資風(fēng)險非常有利。

2）在摩羯臺風(fēng)期間，采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型風(fēng)電機組的對風(fēng)誤差在±9°區(qū)間內(nèi)，而臺風(fēng)型風(fēng)電機組偏航誤差普遍在±50°區(qū)間內(nèi)，說明臺風(fēng)控制策略可實現(xiàn)機組在臺風(fēng)期間持續(xù)準(zhǔn)確對風(fēng)。

3）采用臺風(fēng)控制策略的臺風(fēng)型風(fēng)電機組塔基Mxy理論仿真值與實測值的相關(guān)性達94.1%，驗證了理論仿真計算的準(zhǔn)確性和輕量化塔架應(yīng)用的可行性，這有助于我國風(fēng)力發(fā)電行業(yè)沿海地區(qū)及海上型風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)展。