兆瓦級風電機組緊急停機過程載荷分析及優化

　?。ǘ鈩犹匦?br /> 　　GHBladed是采用經典的葉素－動量理論并結合一定的修正方法進行氣動載荷計算的。從原理可知，風輪的氣動參數的Cp、Ct、Cm主要與槳距角、葉尖速比有關。 　　而通過GHBladed中PerformanceCoefficients功能，可以得到不同槳距角下的Cp、Ct、Cm與λ的曲線?？蓪⑵淅L制成等高線圖，如圖6。 　　由于DLC1.5工況是采用NWP（正常風廓線模型），因此穩態計算中獲得的風輪氣動參數可以近似等于DLC1.5仿真中的氣動參數。
　　根據DLC1.5仿真的風速、風輪轉速、槳距角結果就可以近似反查到機組運行過程中風輪的推力系數Ct，如圖6（紅色曲線為Ct在等高線圖中的運行軌跡）、圖7（緊急停機過程中的Ct曲線）。 　　可以看出，緊急停機過程中，由于變頻器斷開機組負載迅速減小，風輪轉速快速上升，導致葉尖速比增加，同時快速順槳，導致槳距角增加過快，這使得Ct系數快速減小為零并繼續下降接近甚至超過正向的Ct最大值，從而機組承受到很大的反向推力。
　　因此，發電機負載迅速降低為0、槳距角的過快增加是導致沖擊載荷過大的原因。
　　控制優化與載荷比較
　　當GL2010規范中DLC1.5工況，塔筒傾覆彎矩、葉片揮舞彎矩的沖擊載荷（或葉片擺振、扭轉方向的沖擊載荷）大于設計極限時，傳統的做法是調節緊急停機時的順槳速度，來減小沖擊載荷。但當緊急停機的順槳速度變慢時，又會導致葉片、塔筒正方向載荷的增加，同時風輪轉速也會大幅上升帶來其他隱性問題。
　　因此簡單調節緊急停機中順槳速度的辦法，只能起到平衡正向載荷和負向載荷的作用，同時減小順槳速度會帶來更高極限風輪轉速，并沒有從根本上解決問題。
　　按前章節分析可知，要減小沖擊載荷理想的方式就是限制風輪轉速的下降速率（控制風輪釋放能量的速度）；或控制葉尖速比λ和槳距角β滿足圖6一定的等高線關系。
　　據此，較為理想的控制方式是：在緊急停機的前幾秒時間，結合發電機的加速度信號，通過調節槳距角，進行閉環的風輪減速控制，維持風輪的減速度的速率在一定范圍以內（現國內大量的變槳系統已經可以實現，在緊急停機的前幾秒依然采用主控順槳指令的功能）；或限制風輪轉速，減小最大葉尖速比，以減小沖擊載荷。
　　但由于本文的目的不在于控制器設計，因此本文以下兩種簡化方式進行仿真對比，以表明優化的控制效果。
　　一、控制尖速比λ
　　控制邏輯：緊急停機時使發電機轉矩維持2s。（該控制方法參照國外風電整機設計公司控制策略）。
　　原理：防止風輪轉速的迅速增加（控制最大葉尖速比λ），從而減小沖擊載荷。
　　仿真設置：在原始的仿真中，第9s時加入剎車（剎車扭矩等于發電機額定扭矩，剎車扭矩在2s內從額定扭矩線性下降到0）。
　　二、控制槳距角β
　　控制邏輯：在適當時刻減小順槳速度。
　　原理：在適當時刻減小順槳速度，即減小氣動剎車，防止風輪轉速的迅速下降。
　　仿真設置：在原始的仿真中，第10s時加入變槳速度故障，故障值為2deg/s。
　　緊急停機剛開始需要快速順槳，以減小正向的載荷，而當順槳一定角度后須減小順槳速度以減小沖擊載荷。（此處以固定時間點加入慢速順槳為例，來說明優化效果。但實際應用還需要更為詳細的控制邏輯，如：結合發電機加速度來進行順槳速度的閉環控制。）
　　三、優化結果