基于主動偏航側風控制的風電機組防飛車方法研究*

　　

　　文 | 李力森，王文鋒，王傳璽，李暉，蔡安民，張林偉，林偉榮

　　

　　隨著風電機組運行年限的增加，機組各部件容易出現(xiàn)老化、松動、磨損等現(xiàn)象，導致風電機組變槳系統(tǒng)失效。當來流風速較高時，變槳系統(tǒng)無法及時控制葉片正?；貥?，轉速無法及時降低，可能會導致嚴重的超速飛車事故。飛車事故輕則造成機組葉片、變槳系統(tǒng)等大部件損壞，重則發(fā)生機組螺栓斷裂、主機架變形、發(fā)電機與齒輪箱損毀、葉片折斷及葉片掃塔，甚至引發(fā)火災、機組倒塔乃至人身傷亡事故，因此，風電機組超速飛車是風電場必須嚴防死守的。

　　

　　造成風電機組飛車事故的原因眾多，其中，變槳系統(tǒng)故障是主要的原因之一。如某風電場發(fā)生機組飛車倒塔事故時風速超過15m/s，事發(fā)后經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)3支葉片均在0°位置未順槳1。針對風電機組變槳系統(tǒng)的故障預警與控制優(yōu)化是常用的防飛車方案，當前已經(jīng)開展了較多的相關研究工作。例如，文獻2基于SCADA運行數(shù)據(jù)構建支持向量回歸的變槳系統(tǒng)故障預警模型，提取變槳系統(tǒng)故障特征向量，實現(xiàn)變槳系統(tǒng)故障的提前預警；文獻3提出對現(xiàn)場機組的主軸制動器、變槳系統(tǒng)等進行安全故障分析，重點排除安全隱患，防止安全事故發(fā)生。

　　

　　基于故障診斷的方法對風電機組變槳控制系統(tǒng)等部件進行監(jiān)測維護雖是行之有效的手段，但由于引發(fā)飛車事故原因的復雜性，該方法并不能徹底杜絕此類安全事故的發(fā)生。因此，本文提出一種基于風電機組主動偏航側風控制的防飛車方法，將發(fā)電機轉速作為主控系統(tǒng)輸入信號，當主控系統(tǒng)監(jiān)測到發(fā)電機轉速超限達到一定條件時，控制機組偏航至90°側風位置，從而及時降低葉輪轉速；通過軟件仿真對所提方法的有效性進行驗證，并以機組在運行過程中的轉速和載荷為指標對方法進行優(yōu)化。

 

 

　　風電機組安全鏈由一系列重要的監(jiān)控繼電器開關節(jié)點串聯(lián)，包括手動觸發(fā)急停按鈕、扭纜偏航極限開關、機組超速模塊開關、機艙振動開關及主控內(nèi)部安全鏈開關等。在控制邏輯上，安全鏈系統(tǒng)的優(yōu)先級高于風電機組主控系統(tǒng)，目的是確保風電設備在出現(xiàn)故障時優(yōu)先保障安全。一旦觸發(fā)了安全鏈上某個節(jié)點的動作，將引起整條回路斷電，機組立刻緊急停機。如果故障節(jié)點得不到恢復，整個機組的運行操作都不能實現(xiàn)。因此，安全鏈是確保風電機組安全的重要措施。以本文所研究的風電機組事故——風電機組超速飛車為例，當機組正常運行時，主軸超速模塊和發(fā)電機超速模塊的開關閉合，在風電機組觸發(fā)設定的超速閾值NA后，超速模塊開關斷開，機組安全鏈斷開，機組將快速順槳緊急停機。但變槳系統(tǒng)故障可能導致機組無法及時順槳，機組轉速將進一步上升。為防止發(fā)生飛車事故，當機組轉速觸發(fā)到預先設定的閾值時，將啟動主動偏航側風功能，使機艙旋轉并停止于與風向夾角約為90°的位置，葉輪垂直來流風速方向不再吸收風能，從而有效降低風電機組葉輪轉速。

　　

　　主動偏航側風是防止機組超速飛車的最后一道“防線”，在這種應急控制策略中，一旦機組執(zhí)行了主動偏航側風，需要本地手動執(zhí)行復位機組才能再次啟動運行，最大程度地降低了超速飛車事故的風險。

 

　　風電機組在運行過程中，風況復雜多變，難以保證機艙方向與入流風向實時保持一致，因此，機艙方向與入流風向之間通常存在對風偏差。相關研究資料4顯示，僅4°的對風偏差就會造成風電機組輸出功率下降約1.13%。增大對風偏差可以有效降低葉輪轉速，本文從主動偏航控制的角度出發(fā)，當機組轉速過高且變槳系統(tǒng)失效不能控制葉片順槳時，令機組偏航系統(tǒng)主動偏轉側風，實現(xiàn)降低風電機組轉速的控制目標。

　　

　　

　　偏航控制系統(tǒng)是實現(xiàn)風電機組對風的執(zhí)行機構，是水平軸風電機組不可或缺的關鍵部件，其在控制風電機組以更高的效率將風能轉化為機械能的過程中，起到了至關重要的作用。

　　機組正常發(fā)電時的偏航控制策略如圖2所示。以當前風向與測得機艙位置為輸入信號，將二者的差值作為對風偏差，經(jīng)低通濾波器送入主控PLC中，PLC根據(jù)主控邏輯，判斷對風偏差是否滿足啟動條件，若滿足則偏航啟動，執(zhí)行偏航動作直到滿足要求。

　　

　　在此基礎上，為偏航控制系統(tǒng)增加主動偏航側風功能。

　　主動偏航控制工作原理如圖3所示，主要包括：

　　

　?。?）增加一套轉速監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)主控系統(tǒng)對發(fā)電機轉速的冗余監(jiān)測，可防止主控系統(tǒng)誤判。

　　

　?。?）當主控監(jiān)測到發(fā)電機轉速超過2300rpm（根據(jù)需要可設置不同閾值）且持續(xù)3s時，觸發(fā)主動偏航側風控制。

　　

　　（3）主動偏航控制器向偏航電機下發(fā)指令，控制機艙以順時針方向偏轉。

　　

　?。?）當主控監(jiān)測到發(fā)電機轉速降至500rpm（根據(jù)需要可設置不同閾值）以下，或偏航持續(xù)時間達到預設的閾值時，新增繼電器失電，偏航停止。

　　

　　（5）原系統(tǒng)中如安全鏈斷開偏航系統(tǒng)將失去供電不能再啟動，將偏航系統(tǒng)的供電線從安全鏈的繼電器上拆掉后直接短接，使得偏航控制不再受安全鏈斷開的影響，當機組超速到NA時，安全鏈將斷開，如此時仍不能停機繼續(xù)超速，則觸發(fā)主動偏航側風功能。由于硬件安全鏈斷開后不可自動復位，因此，側風偏航動作后必須復位硬件安全鏈才能啟機。

　　

　　

　　本文基于某1.5MW風電機組模型，以實物PLC作為主動偏航控制的控制器，通過設置卡槳模擬變槳系統(tǒng)故障，對主動偏航控制工況進行模擬仿真。

　　

　　主動偏航側風控制策略與機組原有的偏航控制相互獨立，而主動偏航側風具有更高的優(yōu)先級，即當控制系統(tǒng)檢測到風電機組轉速超過設定條件時，立刻切換到主動偏航側風，及時防止機組超速飛車事故的發(fā)生。

　　

　　風電機組在正常發(fā)電運行狀態(tài)下，當在額定功率以下時以轉矩控制為主，當發(fā)電功率接近額定值時啟動變槳，控制機組葉片順槳，使功率穩(wěn)定在額定功率附近，如圖4所示。在風速逐漸升高的過程中，如果變槳系統(tǒng)因故障不能順槳，隨著風速的增加機組發(fā)電機轉速會進一步升高并超過額定值，將產(chǎn)生飛車風險。

　　圖4中，設置初始風速為8m/s，在開始仿真20s后風速逐漸增大至13m/s。風速變化過程中，限制槳距角為0°模擬卡槳故障，發(fā)電機轉速在超越額定值1800rpm后不斷升高，出現(xiàn)超速現(xiàn)象。當轉速超過2300rpm時，啟動主動偏航側風控制，令機組沿順時針方向偏航從而回避入流風向，直至發(fā)電機轉速降至500rpm以下或偏航執(zhí)行90°以后停止，該過程如圖5所示。

　　根據(jù)仿真結果可知，在發(fā)電機轉速過高觸發(fā)主動偏航側風功能后，葉輪轉速會在繼續(xù)升高到接近2500rpm后開始降低，經(jīng)過約200s后，葉輪轉速可以降低到500rpm左右。因此，以側風為目的主動偏航控制能夠實現(xiàn)在轉速過高時快速降低發(fā)電機轉速至安全范圍內(nèi)，可有效防止風電機組超速飛車事故的發(fā)生。

 

 

　　風電機組在正常運行時，或多或少都會存在對風偏差，對風偏差對機組發(fā)電功率和載荷均會產(chǎn)生影響。當機組需要主動偏航側風時，需基于當前運行狀態(tài)的對風偏差，確定最優(yōu)的偏航方向，以達到快速降低葉輪轉速，并使偏航過程中載荷沖擊較小。因此，本節(jié)主要探討不同偏航方向對機組的功率、轉速及載荷的影響。

　　

　　

　　規(guī)定機組朝向正北方時為0°、正東為90°、正西為-90°，由北向東為正偏（順時針方向），由北向西則為反偏（逆時針方向），如圖6所示。

　　首先，設置入流風向與機艙方向夾角θ為＋8°，機艙初始方位朝向正北；限制變槳角度保持0°模擬卡槳故障，發(fā)電機轉速為2300rpm。機組啟動主動偏航側風，分別使機艙沿正反方向旋轉至與入流風向夾角為90°的方位。仿真得到的機組功率變化與轉速變化如圖7所示。

　　根據(jù)圖7，在存在+8°對風偏差的情況下，機組反偏時功率與轉速下降更快。若入流風向保持不變，則機組反偏82°時已實現(xiàn)機艙與入流風向偏差90°，且從圖中可以明顯看出，反偏時機組更早實現(xiàn)發(fā)電機轉速小于500rpm的目標；而正偏時，機組偏航反而會先實現(xiàn)正對入流風，這就導致轉速與功率在最初的50s不降反升。實際情況下，機組啟動主動偏航側風說明發(fā)電機轉速已經(jīng)超速，若因執(zhí)行主動偏航導致轉速進一步提高，會大大增加飛車事故的發(fā)生風險，反而得不償失。因此，由圖7可以得出初步結論，在機組偏航過程中，不同的偏航方向對機組的動態(tài)運行過程有著不同的影響。

　　

　　

　　對以上定義的各工況進行載荷仿真，得出葉根載荷及發(fā)電機轉矩，具體結果見圖8—10。

 

　　根據(jù)仿真結果，當對風偏差為正值時，機組反偏相對正偏受到的載荷沖擊小，反之亦然，這一點與上一節(jié)中對功率與轉速的仿真結論一致。在存在對風偏差的情況下，當主動偏航側風啟動時，若風電機組主動偏航的方向與對風偏差方向相反，能夠使機組的功率與轉速更加快速地降至目標水平，同時機組的氣動載荷與發(fā)電機轉矩也有更明顯的下降趨勢。

　　

　　為了進一步量化載荷差異，分別計算各組工況下的載荷均值，計算結果見表1。

　　從表中數(shù)據(jù)可以看出，當風電機組需要執(zhí)行主動偏航側風時，采用的偏航方向策略，對載荷有非常大的影響。若初始對風偏差角度為正，機組沿正偏方向主動偏航側風，整個過程中不僅轉速的下降相對緩慢，對應的葉片載荷和發(fā)電機轉矩也較大，載荷相差甚至在50%以上，反之亦然。

　　

　　

　　主動偏航側風功能的目標是使機組旋轉到對風偏差為90°的位置，但由于初始對風偏差的存在，采用順時針偏航或逆時針偏航，將會導致偏航動作運行的角度和持續(xù)時間不同，因此，原策略中執(zhí)行的單一偏航方向有待優(yōu)化。此外，原策略中將偏航持續(xù)時間或偏航旋轉角度作為主動偏航側風動作停止的判斷條件，精準度不夠，也有待優(yōu)化。

　　

　　基于上述分析，對風電機組主動偏航控制策略作出如下優(yōu)化：

　　

　　（1）將測風裝置與機艙位置傳感器的反饋信號同時引入主控的偏航側風控制邏輯，計算當前的對風偏差角度。

　　

　　（2）當系統(tǒng)檢測到發(fā)電機轉速高于2300rpm（根據(jù)需要可設置不同閾值）且持續(xù)3s時，將啟動主動偏航側風功能。

　　

　　（3）判斷當前對風偏差角度：若為正值，偏航控制系統(tǒng)反偏標志位為真，機艙沿逆時針方向旋轉偏航；若為負值，偏航控制系統(tǒng)正偏標志位為真，機艙沿順時針方向旋轉偏航。

　　

　?。?）當對風偏差達到90°或發(fā)電機轉速下降到500rpm以下，主動偏航側風功能停止。

　　優(yōu)化后的主動偏航控制策略原理如圖11所示。優(yōu)化后的主動偏航側風控制策略，綜合考慮了運行過程中快速降低葉輪轉速、載荷沖擊小等因素，優(yōu)化了偏航方向的選擇和偏航停止的判斷條件。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉速，整個偏航過程中機組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機組到達90°側風的目標位置。

 

 

　　本文針對現(xiàn)役風電機組中存在的超速飛車事故風險，提出了主動偏航側風控制的機組防飛車方法，并通過運行仿真證實了該方法的有效性?；诜抡娼Y果，并以葉輪轉速快速降低、載荷沖擊小為目標，提出了優(yōu)化的主動偏航側風控制策略，新策略中引入了對風偏差角度變量作為偏航動作方向和偏航動作停止的判斷條件，優(yōu)化了控制邏輯。與優(yōu)化前的控制策略相比，優(yōu)化后的策略能夠更快速地降低葉輪轉速，整個偏航過程中機組承受的載荷沖擊也較小，更快速地使機組到達90°側風的目標位置，達到避免機組飛車的目的。

　　

　?。ㄗ髡邌挝唬豪盍ι?，王傳璽，蔡安民，張林偉，林偉榮：中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司；王文鋒，李暉：華能新能源股份有限公司山東分公司）

　　

　　

　　* 中國華能集團有限公司總部科技項目（HNKJ21-HF163）

　　

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　　2: 王偉. 基于SCADA 數(shù)據(jù)的風電機組變槳系統(tǒng)故障預警[D]. 華北電力大學，2020.

　　

　　3: 王明軍. REpower 系列1.5MW 風電機組安全和飛車故障處理[J] 風能產(chǎn)業(yè)，2012（1）：38 − 44.

　　

　　4: 王欣，吳根勇，潘東浩，等. 基于運行數(shù)據(jù)的風電機組偏航優(yōu)化控制方法研究[J]. 可再生能源，2016，34（03）：413 − 420.