基于儲能的大型風(fēng)電機組極限載荷研究

摘 要：基于修正的葉素動量理論，考慮葉尖/葉根損失修正、動態(tài)失速、動態(tài)入流、葉片截面扭轉(zhuǎn)等影響，通過葉片與塔筒耦合結(jié)構(gòu)動力學(xué)響應(yīng)分析，以某4 MW機組為例，對極端工況下的大型風(fēng)電機組極限載荷進行研究。結(jié)果表明，在極端陣風(fēng)耦合脫網(wǎng)故障時，通過增加旁路負載或儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩，有助于抑制機組由于負載消失產(chǎn)生的明顯結(jié)構(gòu)變形和降低極限載荷。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組；儲能；耦合分析；極端工況；儲能系統(tǒng)；極限載荷

中圖分類號：TK8 文獻標(biāo)志碼：A

0 引 言

風(fēng)電已進入平價時代，由于市場競爭激烈和成本壓力，機組大型化趨勢明顯加劇，特別是風(fēng)電葉片長度已邁進“百米時代”，塔筒高度也在不斷增加。風(fēng)電機組是涉及空氣動力學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、氣動彈性力學(xué)、機械傳動、電氣、控制、材料等多學(xué)科的復(fù)雜系統(tǒng)，同時由于其運行環(huán)境復(fù)雜多變，隨著機組單機容量的增加、長柔葉片和超高塔筒的應(yīng)用以及風(fēng)電機組整體成本的競爭性下降，對風(fēng)電機組運行可靠性和整機載荷安全性提出了更高要求?，F(xiàn)階段風(fēng)電機組大都安裝在低風(fēng)速或超低風(fēng)速區(qū)域，經(jīng)過對不同兆瓦級機組的仿真研究及分析，極端陣風(fēng)如極端相干陣風(fēng)伴隨風(fēng)向變化（extreme coherent gust with direction change，ECD）、極端運行陣風(fēng)（extreme operating gust，EOG）、極端風(fēng)剪切（extreme wind shear，EWS）、極端風(fēng)向變化（extreme direction change，EDC）等風(fēng)況條件耦合機組停機或電網(wǎng)自身故障停機時，極易產(chǎn)生極限載荷，而該問題隨著機組的大型化發(fā)展愈發(fā)明顯。Scott等［1］通過GH Bladed和RomaxWind軟件對受瞬態(tài)極限載荷時的風(fēng)電機組傳動鏈影響進行對比分析，結(jié)果表明非正常停機對傳動鏈的載荷影響是正常停機時的3倍。Bashetty等［2］采用高魯棒性的變槳和扭矩自適應(yīng)控制方法，對高風(fēng)速、大湍流狀態(tài)下的風(fēng)電機組極限載荷進行了研究。Hung等［3］基于PI和狀態(tài)反饋控制方法，重點研究了降低載荷和發(fā)電性能尋優(yōu)算法分析；羅振［4］以1.5 MW機組為例，采用葉素動量理論對機組氣動性能進行分析，并對風(fēng)力機風(fēng)輪和塔架的耦合動力學(xué)進行了分析。楊玉新等［5］研究了直驅(qū)機組定子側(cè)和直流側(cè)Crowbar方案為機組低電壓穿越提供了一定的輔助作用。

目前鮮見以旁路負載或儲能系統(tǒng)參與機組極端風(fēng)況耦合脫網(wǎng)故障導(dǎo)致停機過程中極限載荷控制過程的相關(guān)研究。在風(fēng)電機組長柔葉片和柔塔的應(yīng)用過程中，由于其柔度增加，受控制動作或結(jié)構(gòu)響應(yīng)引起的反饋載荷在整個載荷中的占比逐漸上升。因此，降低因控制動作和結(jié)構(gòu)響應(yīng)引起的慣性反饋作用，已成為當(dāng)前主要研究熱點之一。本文通過修正的葉素動量理論、多自由度模態(tài)綜合響應(yīng)分析等方法，研究考慮特定條件的負載轉(zhuǎn)矩控制對極端工況下大型風(fēng)電機組極限載荷的影響。

1 極限載荷工況分析

大型風(fēng)電機組安裝在低風(fēng)速區(qū)域時，機組各關(guān)鍵位置截面極限載荷多發(fā)生在極端陣風(fēng)耦合機組故障工況上。參考IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)［6］，使用GH Bladed軟件對某MW機組進行載荷計算，其中塔底法蘭位置的極限載荷統(tǒng)計情況如圖1所示。由圖1可看出，塔底極限載荷發(fā)生的前3個工況分別為EOG電網(wǎng)失電、超速停機、卡槳停機，且極限載荷發(fā)生時刻均為停機過程中，如表1所示。

2 關(guān)鍵氣動性能參數(shù)修正

由于風(fēng)電機組的載荷與制造成本正相關(guān)，因此精確的風(fēng)電機組氣動性能計算、結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析、氣彈問題分析和載荷計算結(jié)果仍是風(fēng)電機組整機設(shè)計和應(yīng)用中的重要環(huán)節(jié)。風(fēng)電機組的載荷來源可分為氣動載荷、重力載荷、慣性載荷（如離心力、陀螺力矩）以及由于控制系統(tǒng)動作而產(chǎn)生的反饋載荷四類［7］。其中氣動載荷占主導(dǎo)地位，但隨著風(fēng)輪直徑的增大和塔筒高度的增加，由于控制系統(tǒng)動作而產(chǎn)生的反饋載荷對整機極限和疲勞載荷的影響愈發(fā)明顯。

風(fēng)力機的氣動載荷主要來源于葉片，當(dāng)前計算其氣動性能的方法有修正的葉素動量理論、升力線/面理論、渦流理論、CFD方法等［8］。綜合考慮計算效率、準(zhǔn)確度等因素，本文采用修正的葉素動量理論進行氣動性能和載荷計算分析。修正的葉素動量理論是致動盤理論的擴展形式，在葉素的每個徑向位置，葉素產(chǎn)生的推力和力矩等于穿過該葉素所掃掠環(huán)形面軸向和切向的動量變化，同時考慮動態(tài)失速、動態(tài)入流、葉尖/葉根損失等經(jīng)驗?zāi)Ｐ停?］進行相應(yīng)的修正。據(jù)此可推出對應(yīng)的軸向誘導(dǎo)因子[a]和切向誘導(dǎo)因子[a]：

3 結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型

對于大型風(fēng)電機組長柔葉片，受其柔度影響相較于剛性葉片，葉片截面所承受的氣動載荷將導(dǎo)致葉片扭轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生較大的截面扭角和氣動攻角變化，因此葉片的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)對氣動載荷的反饋成為柔性葉片動態(tài)氣動性能和載荷分析中不可忽略的重要因素。以葉片為例，在葉片弦向坐標(biāo)系下，重點考慮揮舞方向DX、擺振方向DY、扭轉(zhuǎn)方向DZ這3個自由度的影響，基于虛位移原理建立多自由度運動方程：

式中：[M、][C、][K]——對應(yīng)自由度方向的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；[x、][y、][θ]——揮舞方向、擺振方向和扭轉(zhuǎn)方向的位移；[Px、][Py、][Pθ]——揮舞、擺振和扭轉(zhuǎn)方向所承受的載荷。

通過模態(tài)綜合分析法對多自由度運動方程進行解耦求解，得到各結(jié)點位置處的動態(tài)響應(yīng)［11］。

4 葉片和塔架耦合方程

隨著塔筒高度的不斷增高及柔性塔架的大批量應(yīng)用，塔筒受前端風(fēng)力機風(fēng)輪載荷影響，相對產(chǎn)生更大的前后、側(cè)向方向的振動，進而反饋影響葉片的動力學(xué)特性。由于整機系統(tǒng)如葉片、塔筒的幾何形狀隨外界環(huán)境、運行狀態(tài)實時變化，繼續(xù)采用標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)分析方法進行研究時，整機系統(tǒng)的動態(tài)特性將變得更加復(fù)雜。本文分別考慮葉片和塔筒的模態(tài)形狀和頻率分析，疊加每階模態(tài)產(chǎn)生的位移，此處機艙作為集中質(zhì)量點考慮。由于葉片和塔筒模態(tài)不正交，不同模態(tài)的運動方程不再彼此孤立，而是包含耦合項。同時考慮葉片由塔筒模態(tài)的激勵引起的位移波動隨葉片方位角實時變化，需進行對應(yīng)的迭代計算［12］，耦合動態(tài)響應(yīng)方程為：

5 停機響應(yīng)控制

參考IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)對大型風(fēng)電機組進行大量載荷計算可知，當(dāng)風(fēng)電機組運行在極端風(fēng)況或耦合故障觸發(fā)停機時，特別是觸發(fā)安全鏈保護停機動作如脫網(wǎng)故障、安全鏈超速故障等時，機組負載瞬間消失，增大了整機結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)，極易發(fā)生極限載荷。如果能在發(fā)生上述故障時通過其他負載［13］保持機組負載轉(zhuǎn)矩緩慢下降或基于塔筒前后方向振動加速度信號調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩，則可有效降低極限載荷的發(fā)生和抑制機組超速。對于脫網(wǎng)故障，可采用增加旁路負載或儲能系統(tǒng)進行負載轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，如圖2所示。

當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)脫網(wǎng)或者觸發(fā)安全鏈停機時，轉(zhuǎn)矩負載調(diào)節(jié)方式可分為兩種：

具體實現(xiàn)過程如圖3所示：

1）以上一時刻[tn-1]整機結(jié)構(gòu)位移、速度和加速度量狀態(tài)為機組當(dāng)前狀態(tài)；

2）代入當(dāng)前時刻[tn]的風(fēng)況條件，不同高度處風(fēng)速模型按照風(fēng)切變進行換算；

3）計算整機結(jié)構(gòu)所受載荷和結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)；

4）耦合脫網(wǎng)故障，負載消失；

5）將負載切換至旁路負載，旁路負載采用可調(diào)電容或電阻旁路時，執(zhí)行負載轉(zhuǎn)矩線性跌落，給定跌落時間[t1]；旁路負載采用儲能系統(tǒng)時，執(zhí)行前后振動加速度反饋調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩，給定跌落時間[t2]；

6）輸出當(dāng)前時刻[tn]整機結(jié)構(gòu)位移、速度、加速度，繼續(xù)下一時刻循環(huán)。

6 算例分析

本文以某4 MW機組為例進行極限載荷分析，所選機組為上風(fēng)向，三葉片，風(fēng)輪直徑180 m，輪轂高度110、120、130 m，額定轉(zhuǎn)速13.5 r/min。基于自編程序?qū)崿F(xiàn)本文所述的算法，計算時未考慮偏航動作，動態(tài)失速、動態(tài)入流相關(guān)參數(shù)取值參考文獻［9］，調(diào)整誤差[Δr=0.05]。葉片面內(nèi)和面外模態(tài)各取四階：扭轉(zhuǎn)模態(tài)一階、塔筒模態(tài)三階。計算時不同風(fēng)速下轉(zhuǎn)矩和變槳角度取值為GH Bladed穩(wěn)態(tài)計算結(jié)果，停機時收槳速率為4（ °）/s固定速率收槳。選擇EOG陣風(fēng)耦合電網(wǎng)掉電故障類型工況進行分析，工況設(shè)置如表2所示。

6.1 工況分析

當(dāng)前大型風(fēng)電機組的極限載荷往往發(fā)生在極端陣風(fēng)耦合電網(wǎng)掉電或安全鏈停機故障時，以塔底My極限載荷為例，由于塔筒高度增加、頻率降低，機組在發(fā)生電網(wǎng)掉電類似負載突然消失的故障后，其結(jié)構(gòu)響應(yīng)導(dǎo)致的載荷、位移、加速度、速度急劇增加，如圖4所示。

隨著塔筒高度的增加，負載消失引起的塔筒載荷、位移、加速度、速度急劇增加趨勢愈發(fā)明顯。保持0～110 m塔筒高度、外徑和壁厚不變，僅增加塔筒高度，即110～130 m的外徑和壁厚尺寸與110 m頂端相同。110、120和130 m塔筒高度對應(yīng)的一階固有頻率分別為0.235、0.203和0.176 Hz。據(jù)此分析機組在相同外部條件下和不同塔筒高度時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)變化。由圖5可看出，機組受負載消失的影響隨塔筒高度的增加逐漸增大，相比110 m塔筒高度，塔筒高度分別為120、130 m時，塔頂位移分別增大43.99%和99.88%，塔頂前后振動加速度分別增大22.39%和45.69%，塔底My極限載荷分別增大16.9%和32.16%，其中以塔頂位移變化受負載消失的影響最大。

6.2 轉(zhuǎn)矩線性減少影響

若發(fā)生電網(wǎng)失電故障，機組觸發(fā)停機動作時，將機組負載切換至旁路可調(diào)式超級電容/電阻，或接入儲能系統(tǒng)等，使得負載轉(zhuǎn)矩在一定時間內(nèi)線性跌落，可有效抑制機組的位移、加速度以及對應(yīng)位置的極限載荷。當(dāng)機組在14 s因負載消失觸發(fā)停機時，通過旁路提供負載，給定初始負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩T，如圖6所示。塔底正/負向My極限載荷相對于無負載時分別減小48.86%和18.9%，同時隨著初始負載轉(zhuǎn)矩的增加，載荷逐漸減小，但降載效果越來越弱，如圖7所示。

6.3 基于振動加速度的轉(zhuǎn)矩控制影響

以機艙前后振動加速度為反饋信號變量，按照某一傳遞函數(shù)關(guān)系實時調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩，目的是為了在機組振動過程中施加反向推力，達到抑制機組振動的目的。此處給定停機時刻初始負載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩變化按照正弦變化，相位略滯后于前后方向振動加速度。隨著機組振動周期的增加，負載轉(zhuǎn)矩幅值逐漸減小，如圖8所示。從圖9可看出，以機艙前后方向振動加速度為反饋信號調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩的方式，同樣可以降低塔底My方向的極限載荷，正/負向極限載荷分別降低了44.85%和13.7%。

7 結(jié) 論

隨著機組大型化發(fā)展，由于控制動作或脫網(wǎng)故障對風(fēng)電機組結(jié)構(gòu)響應(yīng)的影響逐漸增大，本文基于此采用旁路負載作為替代負載以及儲能系統(tǒng)結(jié)合塔筒前后振動加速度反饋信號調(diào)節(jié)負載轉(zhuǎn)矩，進而實現(xiàn)降低極限載荷的目的，得到如下主要結(jié)論：

1）因控制動作引起的反饋載荷對大型風(fēng)電機組整機極限載荷的影響增加趨勢明顯，有必要優(yōu)化對應(yīng)的控制邏輯，減小反饋載荷影響。

2）在靠近葉根/葉尖區(qū)域，加入調(diào)整誤差，有助于提高軸向和切向誘導(dǎo)因子的迭代收斂性，提高計算效率。

3）隨著風(fēng)電機組的大型化和平價化趨勢，極端風(fēng)況耦合機組故障，特別是脫網(wǎng)故障或安全鏈斷開引起的主動負載消失控制邏輯，對風(fēng)電機組整機結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)產(chǎn)生的影響較大，極易產(chǎn)生極限載荷。

4）對于極端風(fēng)況耦合脫網(wǎng)故障工況，通過旁路負載如可調(diào)超級電容/電阻、儲能系統(tǒng)作為替代負載，有助于抑制機組負載消失產(chǎn)生的明顯變形。

5）隨著多能互補系統(tǒng)在新能源行業(yè)的逐漸應(yīng)用，風(fēng)-儲一體化能源系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)除可參與電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻外，還可將其引入到風(fēng)電機組的主動控制過程中，有利于優(yōu)化風(fēng)電機組的載荷控制策略，實現(xiàn)降低極限載荷和成本的目的。

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EXTREME LOAD ANALYSIS OF LARGE-SCALE

WIND TURBINE BASE ON ENERGY STORAGE

Zhang Linwei1，Cai Anmin1，Lin Weirong1，Chen Hao2，Li Lisen1

（1. Huaneng Clean Energy Research Institute， Beijing 102209， China； 2. Huaneng Hubei New Energy Co.， Ltd.， Wuhan 430061， China）

Abstract：The extreme load analysis research in a case of 4 MW large-scale wind turbine on extreme conditions is carried out by method of dynamic response coupling blade and tower， based on improved BEM theory in consideration of influence of tip/hub loss correction， dynamic stall， dynamic inflow and blade section torque. The results show that adoption of bypass loads or energy storage system for adjusting torque helps to decrease the extreme loads and inhibit structure displacement of wind turbine due to load disappear.

Keywords：wind turbines；energy storage； coupling analysis； extreme load case； energy storage system； extreme load

收稿日期：2022-06-01

基金項目：中國華能集團科技項目（HNKJ21-HF281；HNKJ21-H02）

通信作者：張林偉（1986—），男，碩士、高級工程師，主要從事風(fēng)能利用技術(shù)方面的研究。longwayzhang@163.com