田鹏

（福建惠安泉惠发电有限责任公司 福建惠安 362100）

0 引言

东南沿海是台风影响较多的地区， 沿海的风力发电机组全寿命周期易受台风影响。 国内外学者对风机在极端环境下的设计方法和破坏现象有多种论述。Clausen 等［1］对台风的研究提出了相应的风机整体设计方法；Garciano 等［2-3］描述了台风对风机的多种破坏形式， 并提出了抗台风型风机的设计要求；Larsen 等［4］通过对4 种极端风况建模、仿真、分析，提出了风机在极限工况下的设计方法。 以上研究侧重于风机的设计，对于批量风机在台风工况失去外部电源的应用鲜有论述。

本文以广东东部沿海某山地风电场为背景， 针对2 MW水平轴上风向变桨风机偏航系统、变桨系统、叶片等在台风中批量受损坏的现象， 依据该机型设计标准， 拟定极端风速模型，综合动态失速和动态入流等气弹响应问题，基于Beddoes-Leishman 计算模型分析极端风速工况下不同来流方向的载荷变化， 研究批量化应用风机在最简化更改控制逻辑和最少化更新硬件设备的前提下应对台风的策略。

1 背景风场风机损坏概况

1.1 背景风场风机的基本状态

台风影响时背景风场风机的基本状态如图1 所示。

1.2 背景风场风机主要受损现象

工作于台风中的顺桨风机， 若机舱位置迟滞于相对风向角度较大即大攻角状态，叶片气动阻尼递减，翼形易失速；展向扭矩在损坏风机变桨系统的同时，加剧叶片颤振，进而导致叶片破损断裂；偏航系统（偏航电机、偏航齿等）受交变偏航载荷作用受损；风电机组振动过大触发急停回路，机械刹车投入工作， 高速轴刹车盘在投入工作的过程中受叶轮面内交变载荷作用加剧磨损，磨损过程易导致机舱着火。 背景风场部分损坏现象如图2 所示。

图2 背景风场部分损坏现象图

1.3 解决方案

针对批量应用机型选取算例， 分析算例在考虑动态失速的极端风速模型中易引致风机振动的载荷变化。 结合背景风场应用风机公布的技术资料， 研究台风工况下将机舱位置与相对风向控制在合理偏差内的解决方案。

2 风况设定及B-L 计算方法简介

兆瓦级水平轴上风向变桨风机停机时叶片顺桨， 处于台风环境时顺桨叶片的攻角、气动阻尼等会随风向时变，气流与风机相互作用加强。 此时若采用静态气动数据进行校核，会与风机的实际受力偏差较大， 因此在模拟计算极限载荷时应充分考虑气动弹性响应，计算其极限载荷响应。

2.1 EWM 风况设定依据

（1）背景风场使用风机的技术资料中简要说明了该型风机的设计参考规范，如表1 所述。

表1 现场应用机型参考标准

（2）背景风场的实测数据。 台风运动过程中，该风场始终位于其运动路径右侧。至台风登陆，场内测得10 min 平均风速为53.4 m/s； 风场区域宏观风向沿顺时针呈NE-E-SW-W-N方向变化。

2.2 Beddoes-Leishman 计算方法简介

Beddoes-Leishman 模型是由Beddoes 和Leishman 建立的对风机叶片进行动态气动计算的模型； 模型中方程建立在对实验数据分析的基础上， 方程中的参数需要根据实验数据进行优化。 同时由于模型中方程能较好地解释气弹现象， 因此Beddoes-Leishman 模型也被称为“半经验”模型。 丹麦Risφ 实验室发展了B-L 模型，使得其适用于全范围攻角。

动态气动升力延迟增量dCL0，d表示为：

式中：φ（t）表示响应函数，dCL0（τ）在时间τ 时的稳态气动升力系数。

响应函数φ（t）满足：

式中：A1、A2、ω1、ω2为描述时间延迟的变量，A1+A2≈0.5，ω1、ω2表示时间尺度变量。

动态气动升力系数可表示为：

式中：c1（t）、c2（t）分别表示状态变量。

在叶片变桨频率较大时， 需要考虑冲击等非循环因素的影响，式（3）变为：

式中：c3（t）、c4（t）表示由于攻角突变引起的冲击变量［5-8］。

假定风机在突遇狂风情况下，未发生偏航动作，动态失速模型参数取经验值为：A1=0.165，A2=0.335，ω1=0.0455，ω2=0.3，A3=A4=1，ω4=ω5=2.5。

3 计算机仿真

3.1 极端风速工况设定

综合现场数据和设计标准， 拟定了表2 所示的极端风速模型，模拟区间风速分布如图3 所示。

3.2 算例基本参数

现场应用2 MW 风机公布的参数有限， 本文选取表3 所示的2 MW 变桨IA 风机为例， 计算其在EWM 工况不同来流方向时的变化趋势。

表2 极端风速模型

图3 模拟区间风速分布

表3 算例基本参数

偏航控制系统一般采用相对风向（图4）来计量风向与机舱位置，为方便分析，本文在结果对比时亦采用相对风向坐标系。

图4 相对风向图

3.3 结果对比

（1）不同来流方向时叶根挥舞、摆振力矩叶根顺桨停机后，挥舞力矩是叶片面内振动的主要激励，摆振力矩是叶片面外振动的主要激励； 比较挥舞、 摆振力矩可直观了解叶片面内、面外的振动激励。

图5 不同来流方向时叶片挥舞、摆振力矩

从图5 对比可看出， 来流方向在30 deg、-30 deg 和180 deg 时叶根挥舞、摆振力矩及挥舞、摆振振幅均较0 deg 小；应用风机的控制策略为上风向主动对风， 偏航逻辑设计是按照最短路径计算， 故本文仅对比来流方向在0 deg、30 deg、-30 deg 的载荷变化。

（2）3 个来流方向叶根MZ 力矩对比。 如图6 所示，来流方向30 deg 时叶根1 m 处MZ 力矩极值、 幅值较0 deg 时小，说明30 deg 时叶片扭转幅度较0 deg 时小， 对变桨系统破坏性小；-30 deg 时叶根1 m 处MZ 力矩极值、幅值较0 deg 时大。

（3）3 个来流方向时偏航MZ 力矩。偏航MZ 力矩是风机偏航的主要阻力，是主要的偏航齿及减速器冲击载荷。 由图7 可见，相对风向30 deg 较0 deg 偏航MZ 力矩极值大，但幅值小，对偏航系统冲击小；-30 deg 时较0 deg 时极值小、幅值小。

图6 3 个来流方向的叶根MZ 力矩对比图

图7 3 个来流方向的偏航MZ 力矩对比图

4 结论及建议

通过计算某型变桨风机在EWM 工况的载荷，比较分析了不同来流方向时叶根展向扭矩、 叶根挥舞、 摆振力矩及偏航MZ 力矩的变化趋势，结合背景风场应用风机公布的技术资料，研究台风工况时风电场失去电网电源的应急策略，总结如下：

（1）综合站内电气设备、风机设备、测风设备、交通通讯条件等因素， 制定详细完备的防台防汛应急预案和台风后现场巡检方案。 应急预案至少包含风机设备自带蓄电池组检查、联结螺栓力矩抽检、变桨系统检查、偏航系统检查、液压系统检查、风机极限工况测试、各型设备防雨检查、变电站内应急电源与外网电源切换操作、站内门窗加固等内容。

（2）保证风机通讯稳定、供电可靠，增设风机稳定应急供电系统。

（3）极端风况下偏航力矩会冲击偏航系统，使用扭矩式偏航减速器可缓冲极限偏航载荷对偏航系统的冲击。

（4）为避免风机在台风工况中因振动过大触发急停回路，在台风10 级风圈影响前应适当调节振动传感器触发急停回路中的启动限值。

（5）准确预判台风宏观运动路径，提前停机并适当解缆。依据发布的台风预测信息计算台风前部最大风速区、 前部最大风速区向风眼过渡区、 风眼向后部最大风速过渡区影响风场的时间节点。 鉴于在极端风况时风机偏航会迟滞于当前风向的现象，应实现远程偏航设定功能，提前于当前风向手动偏航。

（6）手动偏航策略需要依据具体风况及风场位置进行计算。 以位于台风路径右侧的风场为例，建议在台风眼前部最大风速区沿顺时针将风机手动偏航过当前主风向25°～30°；前部最大风速区向风眼过渡区可手动偏航过当前主风向15°～20°；风眼及后部最大风速区可由风机自动对风。

（7）在载荷和结构特性分析的基础上，计算分析叶片的结构特性，选装合适的结构阻尼器，耗散叶片振动能量。