风力发电机组载荷控制探讨

1海上风电机组的基本控制策略

变速变桨控制是目前主流风电机组的基本控制策略，主要分为额定功率以上控制和额定功率以下控制。额定功率以上控制主要通过变桨控制来调节转速，保证电功率的稳定输出;额定功率以下控制主要通过转矩控制来调节转速，使机组输出功率最大化。图2为机组的基本控制框图。通过测量的发电机转速，变桨控制器计算得到机组的变桨角度给定，转矩控制器计算得到机组的发电机转矩给定，偏航控制系统负责机组对风。

机组运行在变速区间时，变频器将给定转矩作用在发电机气隙转矩。转矩控制器一般具有较高的带宽，给定转矩可以很快地改变发电机的气隙转矩。低风速区，转速被控制在一定范围内，通过一定算法给定发电机转矩使吸收功率最大化。中间风速区，机组达到额定转速，利用增量式PI控制器来计算发电机转矩稳定转速。此外，通过传动链加阻控制算法在发电机转矩给定上加一个较小的波动来增加传动链的阻尼高风速区，转矩达到额定值，利用变桨控制来调节转速。变桨控制器一般也采用增量式PI控制器。由于变桨角度越大，机组气动转矩的灵敏度越大，PI控制器增益通过叶片的气动特性进行设计。额定功率以下保证最佳桨距角，同时保证转矩控制与变桨控制的解耦。

2海上风电机组的载荷分析及其仿真

本文讨论的是海上风电机组载荷及其控制方法，首先对海机组的载荷进行详细分析。由于海上风机所处的海洋环境不同，其载荷来源和设计特征是不同的。陆上风机的载荷来源主要包括：惯性和重力载荷、空气动力载荷和运行载荷，其中空气动力载荷是主要载荷。除以上载荷外，海上风机的载荷来源还包括：水流载荷、海冰载荷、船舶冲击载荷，其中水流载荷包括：海流载荷、波浪载荷和潮汐载荷。海上风机所处的载荷环境具有很大的不确定性。随机的非线性风载荷和波浪载荷等都将给海上风机安全控制提出较大挑战。本文将重点讨论海上机组的空气动力载荷和海波载荷对机组的影响。

2.1空气动力载荷由于海面粗糙度比地面粗糙度要低，海上风机具有更低的湍流和更低的风剪切，这将一定程度上降低机组的载荷。但是海上风特性具有更高的年平均风速，又将加大机组的载荷。海上机组的空气动力载荷具有特殊性。塔架所受载荷是海上机组区别于陆上机组的最主要载荷。塔架总载荷主要包括塔架顶部载荷、塔架风载载荷和海波载荷。Fr表示风轮载荷，Fa表示塔架的风载载荷。

2.2海波载荷当水流通过塔架支撑结构时，其相互作用就产生了流体载荷。主要的流体载荷由波浪和海流产生，有时也包括因潮汐带来的海平面波动产生的流体载荷。Fc表示海流载荷，Fw表示波浪载荷。

2.3海上风电机组载荷来源仿真及分析基于以上分析，按照相关标准，使用Bladed软件对平均风速为19m/s湍流风时某海上风电机组发电运行工况进行模拟，如图3和图4。图中，曲线“-”表示机组在只受风载时(与陆上机组类似)发电运行工况的模拟。曲线“•”表示机组在受风载和海波载共同作用时(与海上机组类似)发电运行工况的模拟。

在两种工况下，机组的运行转速、输出电功率、齿轮箱转矩、叶片载荷、轮毂载荷、偏航轴承载荷等相差很小，而机组的塔架载荷则有明显差别。主要是由于海波影响塔架和基础的载荷，对其它部件载荷影响较小。陆上机组的阻尼主要有结构阻尼和气动阻尼。

海上机组受到海波载荷时，由于塔架和基础受到流体作用，机组的阻尼除了结构阻尼和气动阻尼之外，还有流体阻尼，这将一定程度地减小机组发电运行的疲劳载荷。下面重点分析海上机组塔架所受的惯性和重力载荷、空气动力载荷和海波载荷，如图5所示。图5中，曲线“-”表示机组在旋转运行过程中只受到惯性和重力载荷作用下的塔架载荷Fx;曲线“•”表示机组在旋转运行过程中惯性和重力载荷与海波载荷共同作用下的塔架载荷Fx;曲线“-”表示机组在旋转运行过程中惯性和重力载荷与风载共同作用下的塔架载荷Fx。

从图中可以看出，当机组只受到惯性和重力载荷且在额转速旋转时，塔架的阻尼只有结构阻尼，其受力均值较大。当机组受海波或风载运行时，塔架的等效阻尼包括气动阻尼和流体阻尼，其受力均值有所减小。但由于风湍流、风切变等影响，风载的波动较大。

3海上风电机组载荷控制的几种方法及其仿真

风电机组控制系统在高风速时进行功率调节，低风速时进行最优控制。除此之外，控制系统的动作会对机组载荷产生主要的影响。本文提出了几种降低海上风电机组载荷的控制方法。这些方法均是在现有的控制策略中增加控制环或逻辑，来减小机组的载荷。本文选取了某海上机组进行了仿真研究。

3.1主动空转控制当机组处于空转状态时，通常会顺桨至顺桨位置(85到90度左右)，机组很慢地旋转或不旋转。此时机组的阻尼较小，只有结构阻尼。为了减小海上机组受到海波载荷的影响，可以增加机组的气动阻尼，让风轮作低速旋转。为了增加风轮的气动阻尼，可以减小变桨角度，使空转风轮的转速得到一定的提升。风轮转速的微小增加，就可以增加机组的气动阻尼，减小海波载荷对机组的影响。

图6为某海上风电机组主动空转控制策略的仿真曲线。曲线“-”表示海上机组的基本控制策略仿真曲线;曲线“•”表示机组在主动空转控制策略下的仿真曲线。从图中可以看出，海上机组基本控制策略中空转状态时，变桨角度为90度左右，风轮转速很小，几乎为零，其塔架载荷较大;而主动空转控制策略下机组的变桨角度减小为30度左右，风轮转速得到了一定提升为3rpm左右，其塔架载荷得到降低。

3.2塔架加阻控制策略气动阻尼是现代主流风机运行时的主要阻尼。通过增加阻尼来减小气动载荷和水流载荷引起的塔架前后方向运动。可以通过变桨控制来增加气动阻尼，从而降低塔架和基础的载荷。塔架加阻控制策略是增加机组阻尼的一种重要方法。湍流、塔影、风切变以及海拔载荷的变化都可能使风机塔架产生振动，振动通过变桨系统的放大，反过来通过外部激励作用到风轮上。

当激振频率接近机组某部件的固有频率时，将产生受迫振动，导致机组运行不稳定。特别是叶片作为吸收风能的主要部件，受到的影响最大，一旦叶片和变桨控制发生耦合，在控制回路中会不断放大塔架的微小振荡。尤其再加上海上复杂海波载荷的作用，机组可能发生自激振荡，甚至共振。塔架的前后振动是很弱的阻尼振荡，具有很强的谐振响应，即使在风速和海波很小的时候也可以保持很强的谐振。响应的快慢取决于阻尼的大小，主要来自于风轮和塔架的等效阻尼。

塔架的动态特性可以用简单的二阶谐波阻尼系统近似进行描述：式中，x为塔架的位移;F为外加力，这里代表风和海波的共同推力;为由变桨控制动作所引起的附加应力;M为塔架的等效模态质量;K为模态的刚度系数;则塔架频率为。如果与-X成正比，则可以明显增加有效阻尼振荡。因为测量加速度要比测量速度容易，因此通过对塔架加速度的积分来推出x的变化。

为了得到精确的附加阻尼Dp，由应力对桨距角的偏微分可以得到合适的增益，其中为桨距角。有时需要在反馈中串联一个陷频滤波器，用于限制叶片穿越频率。通过变桨装置中的塔架阻尼控制器可以调整机组的有效阻尼大小，有效减小机组振动。图7和图8为使用塔架加阻控制和未使用塔架加阻控制的仿真结果。从图中可以看出，塔架加阻控制时，机组的变桨角度变化会稍微加大，因为变桨控制响应了机组振动加速度反馈项，尽管变桨机构动作明显增加，但需要的变桨速率却变化很小;机组的电功率输出、齿轮箱转矩、叶片载荷、轮毂载荷、偏航轴承载荷影响较小;但机组的塔架载荷得到明显降低。这种控制策略增加了塔架的阻尼，明显地降低了塔架的基本载荷。

3.3海上风电机组抗台风策略上面讨论了在空转状态和发电运行状态下海上风电机组的载荷控制方法。因为海洋环境的特殊性，在很多海域都会有台风发生。除了正常海况外，海上风电机组必须能够经受台风的考验。本节主要分析海上风电机组在台风来临时的应对策略，降低机组载荷。台风到来前，根据气象部门提供的气象信息，可以大致推测台风的强度和抵达时间。如果台风得到削弱，其抵达风速在机组允许运行范围内机组可以照常发电。

如果台风较强，超出运行风速范围，控制系统可以自动使机组进入大风保护状态，机组安全顺桨停机，但此时偏航控制系统需要进入抗台风状态。目前针对抗台风的偏航策略主要有三种：偏航正对风控制、偏航尾部对风(相当于偏航误差为180度左右)和偏航垂直对风(相当于偏航误差为90度左右)。图9是在平均风速为47.6m/s台风下对以上三种偏航策略的仿真结果。从图中可以看出，偏航垂直对风时，除了塔架My较小外，叶片载荷Mxy、轮毂载荷Myz、齿轮箱转矩、偏航轴承载荷Mxy都比较大。相反地，偏航正对风和偏航尾部对风时，除了塔架My较大外，其他载荷都比较小;其中，偏航尾部对风时，叶片载荷Mxy和轮毂载荷Myz最小，偏航轴承载荷Mxy和塔架My相差不大。综上，应对海上台风的偏航控制策略中，偏航尾部对风最好，偏航正对风次之，偏航垂直对风最差，其它角度偏航位于中间范围。

4结论

本文介绍了海上风电机组的基本结构和基本控制原理，分析了海上风电机组的载荷来源及其特殊性，之后分析并仿真了海上风电机组惯性和重力载荷、空气动力载荷和海波载荷的影响，最后分别在空转状态、发电运行状态和大风甚至台风环境下提出了一些降低海上风电机组载荷的控制方法，并进行了有针对性的仿真。仿真表明，这几种控制策略对降低海上风电机组载荷具有较好的效果。

作者：杨明明 苏丽营 辛理夫 李磊 何荣光     单位：华锐风电科技(集团)股份有限公司