風(fēng)力發(fā)電機(jī)組分段塔架加阻技術(shù)研究

閔 睿 王瑞良 孫 勇 楊 翀 聶方正

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，浙江杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州 310012）

0 引言

隨著我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和方針的制定，電力行業(yè)積極響應(yīng)，風(fēng)電行業(yè)迅速發(fā)展[1]，風(fēng)力發(fā)電等清潔能源將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火力發(fā)電。要提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電量，增加葉片長(zhǎng)度和塔架高度是較好的技術(shù)手段，但塔架振蕩帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也隨之加大[2]。采用塔架加阻技術(shù)，可以有效降低振蕩帶來(lái)的危險(xiǎn)性，但同時(shí)機(jī)組的極限載荷也會(huì)增大，導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)難度增大，設(shè)計(jì)成本增加。

為解決這一兩難問(wèn)題，本文提出了一種分段塔架加阻的方法，在額定風(fēng)速附近保持加阻不變，風(fēng)速越高，加阻效果越小，在切出風(fēng)速附近去除塔架加阻。此方法能有效降低DLC1.4大風(fēng)工況塔底合彎矩和輪轂合彎矩的極限載荷，起到降本增效的作用。

1 塔架加阻隨風(fēng)速變化作用分析

1.1 塔架頻率濾波器

塔架頻率是風(fēng)機(jī)塔架的固有頻率，如果塔架頻率與機(jī)組的其他模態(tài)頻率接近，如葉輪的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，就會(huì)產(chǎn)生共振，進(jìn)而影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全性[3]。為避免振蕩的發(fā)生，目前應(yīng)用最多的方法是在變槳環(huán)控制器中加入塔架頻率濾波器[4]。

塔架頻率濾波器采用陷波濾波器，可以在塔架頻率點(diǎn)迅速衰減輸入信號(hào)，從而達(dá)到阻礙塔架頻率信號(hào)通過(guò)的作用[5]，其傳遞函數(shù)如下：

對(duì)于塔架頻率濾波器來(lái)說(shuō)，ω1=ω2=塔架固有頻率，默認(rèn)阻尼比ζ1=0.1，ζ2=0.3。

1.2 額定風(fēng)速附近塔架濾波器的影響

在額定風(fēng)速附近，不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖1所示。

圖1 額定風(fēng)速附近不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)

額定風(fēng)速附近不加塔架濾波器，階躍響應(yīng)曲線振蕩明顯，振蕩頻率就是塔架頻率，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，100 s后才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，影響機(jī)組穩(wěn)定性。

在額定風(fēng)速附近，加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

圖2 額定風(fēng)速附近加塔架濾波器的階躍響應(yīng)

額定風(fēng)速附近加塔架濾波器，振蕩頻率被濾波器過(guò)濾掉，階躍響應(yīng)曲線平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間較短，45 s即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)比得出，在額定風(fēng)速附近，塔架濾波器對(duì)于機(jī)組的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用，不可去除。

1.3 切出風(fēng)速附近塔架濾波器的影響

在切出風(fēng)速附近，不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

圖3 切出風(fēng)速附近不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)

切出風(fēng)速附近不加塔架濾波器，階躍響應(yīng)曲線仍然平穩(wěn)，調(diào)節(jié)時(shí)間很短，25 s即可達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見(jiàn)，此時(shí)塔架頻率對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性基本沒(méi)有影響，在切出風(fēng)速附近可以去除塔架濾波器，因此分段加阻具備可行性。

2 分段加阻緩沖設(shè)計(jì)

分段加阻是指在塔架濾波器影響較大的額定風(fēng)速附近保留塔架加阻，在塔架濾波器影響較小的切出風(fēng)速附近去除塔架加阻。如果直接按風(fēng)速或槳距角判斷是否開(kāi)啟塔架濾波器，切換時(shí)的突變可能會(huì)造成振蕩，而且臨界值附近的頻繁切換會(huì)產(chǎn)生更大的載荷。因此，引入加阻緩沖的概念，增加變量DynamicFilterScheduleEnabled，為動(dòng)態(tài)塔架濾波器查表使能變量，增加查表Dynamic FilterSchedule，如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)塔架濾波器查表格式

DynamicFilterSchedule包含槳距角和塔架濾波器加阻限值兩個(gè)變量，通過(guò)查當(dāng)前槳距角的值，輸出塔架濾波器加阻限值，幅度在0～1倍，限值1時(shí)維持初始塔架濾波器阻尼不變，限值減小，塔架濾波器阻尼也按比例減小。如槳距角為0.035 9 rad或以下時(shí)，按初始塔架濾波器阻尼ζ1=0.1，ζ2=0.3設(shè)置；槳距角為0.060 8 rad時(shí)，阻尼為ζ1=0.08，ζ2=0.24；槳距角為0.133 1 rad或以上時(shí)，阻尼ζ1=ζ2=0，塔架加阻去除。

用槳距角定位加阻限值要優(yōu)于用風(fēng)速定位：首先，風(fēng)速測(cè)量準(zhǔn)確性不如槳距角的測(cè)量，且有一定延遲；其次，變槳環(huán)的PID控制器參數(shù)也使用槳距角查表，與PID查表保持一致便于PID控制器調(diào)參與分段加阻的統(tǒng)一。

加入分段加阻緩沖后，塔架加阻的切換更平緩，不會(huì)激起振蕩，而且加阻限值可以根據(jù)不同機(jī)組設(shè)置適宜的數(shù)值，適用性更廣。

3 分段塔架加阻功能驗(yàn)證

塔架加阻對(duì)機(jī)組極限載荷影響較大，DLC1.4工況輪轂和塔架的極限載荷一般增加8%～15%，除塔架加阻本身帶來(lái)的影響外，加阻后變槳環(huán)PID控制器參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整也會(huì)增大極限載荷。

以某機(jī)型作為驗(yàn)證實(shí)例，該機(jī)型DLC1.4ca-2工況旋轉(zhuǎn)輪轂坐標(biāo)系合彎矩Myz和塔底合彎矩Mxy有降載需求，在其他控制策略不變的情況下，僅采用分段塔架加阻方法降載。

塔架頻率ω1=ω2=1.18，阻尼ζ1=0.1，ζ2=0.3，調(diào)整前變槳環(huán)PID控制器參數(shù)查表如表2所示。

表2 調(diào)整前變槳環(huán)PID控制器參數(shù)查表

動(dòng)態(tài)塔架濾波器查表按表1數(shù)據(jù)設(shè)置，將動(dòng)態(tài)塔架濾波代入PID控制器重新調(diào)參，對(duì)大風(fēng)下的參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，調(diào)整后的變槳環(huán)PID控制器參數(shù)如表3所示。

表3 調(diào)整后變槳環(huán)PID控制器參數(shù)查表

用新的控制器重新試跑DLC1.4ca-2工況，旋轉(zhuǎn)輪轂坐標(biāo)系合彎矩Myz優(yōu)化前后的對(duì)比如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)輪轂Myz優(yōu)化前后對(duì)比

黑線為優(yōu)化前的旋轉(zhuǎn)輪轂Myz，灰線為應(yīng)用分段塔架加阻優(yōu)化后的旋轉(zhuǎn)輪轂Myz，極值降載約11.9%，效果明顯。

塔底合彎矩Mxy優(yōu)化前后的對(duì)比如圖5所示。

圖5 塔底Mxy優(yōu)化前后對(duì)比

黑線為優(yōu)化前的塔底Mxy，灰線為應(yīng)用分段塔架加阻優(yōu)化后的塔底Mxy，降載約2.3%，效果不如旋轉(zhuǎn)輪轂Myz，但也有兩個(gè)點(diǎn)以上的降載效果。輪轂和塔架的降載具體數(shù)值如表4所示。

用其他機(jī)組做分段塔架加阻的功能測(cè)試，多數(shù)機(jī)組在DLC1.4大風(fēng)工況下，塔架和輪轂有不同程度的降載效果，降載范圍在1.5%～12%，可以實(shí)現(xiàn)降本增效，驗(yàn)證了分段塔架加阻的實(shí)用性和通用性。

4 結(jié)語(yǔ)

目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要利用塔架加阻技術(shù)避免塔架頻率的共振，但加阻帶來(lái)了極限載荷大的困擾。本文針對(duì)這一兩難問(wèn)題，結(jié)合塔架頻率在不同風(fēng)速下對(duì)機(jī)組的影響，提出了分段塔架加阻的方法，并設(shè)計(jì)了加阻緩沖。本文技術(shù)手段能夠有效地降低在風(fēng)速較大工況下輪轂和塔架的極限載荷，并具有通用性。

表4 輪轂和塔架優(yōu)化前后對(duì)比表