引言

隨著我國碳達峰、碳中和方針的制定,電力行業(yè)積極響應(yīng),風電行業(yè)迅速發(fā)展,風力發(fā)電等清潔能源將逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)的火力發(fā)電。要提高風力發(fā)電機組發(fā)電量,增加葉片長度和塔架高度是較好的技術(shù)手段,但塔架振蕩帶來的風險也隨之加大。采用塔架加阻技術(shù),可以有效降低振蕩帶來的危險性,但同時機組的極限載荷也會增大,導致風力發(fā)電機組設(shè)計難度增大,設(shè)計成本增加。

為解決這一兩難問題,本文提出了一種分段塔架加阻的方法,在額定風速附近保持加阻不變,風速越高,加阻效果越小,在切出風速附近去除塔架加阻。此方法能有效降低DLC1.4大風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塔架加阻隨風速變化作用分析

1.1塔架頻率濾波器

塔架頻率是風機塔架的固有頻率,如果塔架頻率與機組的其他模態(tài)頻率接近,如葉輪的轉(zhuǎn)動頻率,就會產(chǎn)生共振,進而影響風力發(fā)電機組的安全性。為避免振蕩的發(fā)生,目前應(yīng)用最多的方法是在變獎環(huán)控制器中加入塔架頻率濾波器。

塔架頻率濾波器采用陷波濾波器,可以在塔架頻率點迅速衰減輸入信號,從而達到阻礙塔架頻率信號通過的作用,其傳遞函數(shù)如下:

對于塔架頻率濾波器來說,w1=w2=塔架固有頻率,默認阻尼比ζ1=0.1,ζ2=0.3。

1.2額定風速附近塔架濾波器的影響

在額定風速附近,不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖1所示。

額定風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)時間長,100s后才能達到穩(wěn)定狀態(tài),影響機組穩(wěn)定性。

在額定風速附近,加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖2所示。

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

對比得出,在額定風速附近,塔架濾波器對于機組的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用,不可去除。

1.3切出風速附近塔架濾波器的影響

在切出風速附近,不加塔架濾波器的階躍響應(yīng)曲線如圖3所示。

切出風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)時間很短,25s即可達到穩(wěn)定狀態(tài)。由此可見,此時塔架頻率對機組穩(wěn)定性基本沒有影響,在切出風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

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

DynamicFilterschedule包含獎距角和塔架濾波器加阻限值兩個變量,通過查當前獎距角的值,輸出塔架濾波器加阻限值,幅度在0~1倍,限值l時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。如獎距角為0.0359rad或以下時,按初始塔架濾波器阻尼ζl=0.l,ζ2=0.3設(shè)置:獎距角為0.0608rad時,阻尼為ζl=0.08,ζ2=0.24:獎距角為0.l33lrad或以上時,阻尼ζl=ζ2=0,塔架加阻去除。

用獎距角定位加阻限值要優(yōu)于用風速定位:首先,風速測量準確性不如獎距角的測量,且有一定延遲:其次,變獎環(huán)的PID控制器參數(shù)也使用獎距角查表,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,不會激起振蕩,而且加阻限值可以根據(jù)不同機組設(shè)置適宜的數(shù)值,適用性更廣。

3分段塔架加阻功能驗證

塔架加阻對機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的影響外,加阻后變獎環(huán)PID控制器參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整也會增大極限載荷。

以某機型作為驗證實例,該機型DLC1.4ca-2工況旋轉(zhuǎn)輪轂坐標系合彎矩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wl=w2=1.18,阻尼ζl=0.1,ζ2=0.3,調(diào)整前變獎環(huán)PID控制器參數(shù)查表如表2所示。

動態(tài)塔架濾波器查表按表1數(shù)據(jù)設(shè)置,將動態(tài)塔架濾波代入PID控制器重新調(diào)參,對大風下的參數(shù)進行相應(yīng)調(diào)整,調(diào)整后的變獎環(huán)PID控制器參數(shù)如表3所示。

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

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)化前后的對比如圖5所示。

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,但也有兩個點以上的降載效果。輪轂和塔架的降載具體數(shù)值如表4所示。

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

4結(jié)語

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