台风型风电机组塔架轻量化设计研究

2020-05-08赵进

装备环境工程 2020年4期

赵进

（山西焦煤集团机电部，太原 030000）

随着我国风电行业的快速发展，大批风电机组安装在东南沿海。我国东南沿海地域台风频繁登陆，对风电机组以及风电场带来很大的危害。如浙江省自从1997年大规模开发风电以来，共计受到22次台风影响，其中7次台风给风电设备带来损失高达百万元，2次台风造成的损失更是高达千万元以上[1]。随着新建风电场单机容量的不断扩大，特别是风电场在海上安装时所受的影响更加明显，一旦遭遇台风，将造成巨大损失。因此在风电机组上开展抗台风能力研究的必要性越发凸显。

国际上开展风电机组抗台风技术研究的国家和地区主要有东南亚、日本、美国和中国等。早在2004年，日本就开始了风电机组抗台风设计技术的研究。主要研究内容为极端风图谱、载荷测试、极端风速数据库以及风电场址评估和机组选型等。

2005 年，丹麦国家能源实验室联合菲律宾、越南等东盟国家开展了相关研究项目。通过对菲律宾国内极限风速以及风电机组结构安全性设计要求的调查研究，分析了安全系数提高导致的机组成本增加的相关内容。

美国船级社对台风环境下的海上风电场和海上风力发电机组的设计技术进行了研究，获得美国政府大力支持。据报告[2-3]，应用在台风地区的海上风力发电机组设计载荷计算模型，建议采用API（美国石油协会）标准模型。

目前，对台风型风力发电机组进行研究的国际知名风电机组制造商主要有三菱、VESTAS和GE。其重点研究内容侧重于极端风速和极端风载及其危害等方面，根据机组原有条件，在结构设计、策略控制等方面持续优化和改进。

我国基于对近年来沿海登陆台风影响下极端风速分布及其破坏机理的深入研究[4-7]，最终颁布了第一部台风环境下的风电机组产品标准——GB/T 31519—2015《台风型风力发电机组》[8]。在此基础上，开发台风控制策略，通过载荷计算，优化塔架结构设计，实现塔架轻量化设计，由此可以带来巨大的经济效益。通过现场载荷测验，验证理论设计的准确性和可行性，将助力于我国风力发电行业沿海地区及海上型风力发电机组的发展。

1 标准台风型风电机组设计

1.1 研究对象

挑选浙江某沿海风场为研究对象，该风电场采用FD2000台风型机组，基本参数见表1。

1.2 载荷计算

台风型风电机组载荷工况根据 GB/T 18451.1—2012《风力发电机组设计要求》规定的载荷工况DLC1.1—DLC8.2，结合GB/T 31519—2015《台风型风力发电机组》规定的台风环境载荷工况，共同组成台风型风电机组载荷工况DLC9.1—DLC9.14。

表1 FD2000台风型机组的基本参数Tab.1 Basic parameters of FD2000 typhoon unit

各载荷工况含义简要说明：DLC9.1为发电兼有故障；DLC9.2—DLC9.4为正常停机；DLC9.5—DLC9.12为空转；DLC9.13—DLC9.14为停机兼故障。利用BLADED载荷仿真软件，计算机组叶根、轮毂中心、塔架顶部、塔基等主要部件的载荷，结果见表2。

表2 台风型风电机组载荷计算结果Tab.2 Load calculation results of typhoon wind turbine unit

按照表 2的载荷结果对各部件进行结构设计和强度计算，这里主要对塔架进行详细阐述。根据塔基及各截面载荷，计算得塔架质量约199 t。

2 台风控制策略风电机组设计

2.1 台风控制策略设计

对台风型风电机组塔基载荷进行分析可知，塔基极限载荷出现在DLC9.10工况。当风向处于0°或180°时，即机组处于上风向或背风向时，塔基载荷较小，约为最大值的50%，如图1所示。若台风期间可保证机组持续处于对风状态，则塔基承受的载荷大幅下降，可实现机组轻量化设计。基于此思路，开发台风控制策略，如图2所示。

台风控制策略主要由SCADA 系统开发、机组控制优化、供电备用系统、风速风向仪等四大部分组成。

2.1.1 SCADA 系统开发

SCADA承担了偏航备用系统的三项主要任务：实现台风预警、台风过境提示功能；允许远方控制全风场进入偏航备用模式；保证在台风中电网失电时远程启动供电备用系统。

根据气象预报信息，在台风到达48 h之前，系统发出预警信号。在台风登陆前24 h，偏航备用准备状态准备就绪，并对风场电网、通讯网络、柴油机状态等进行检查。在台风登陆时，当系统判定风速大于设定值时，机组进入偏航备用模式。台风过境后，系统判定风速小于设定值时，机组、电网线路、通讯网络等各项风场运行的必要项目开始自检，并恢复机组正常运行。

2.1.2 机组控制优化

实现功能主要包括：当风电机组运行在偏航备用模式时，能够对机组自动偏航的预警和告警信号进行屏蔽阻止，确保不对人员和机组设备造成安全影响。在台风过后，当机组在未完成自检以前，确保机组不能自动切换到运行状态。如果SCADA操作者发出人为运行指令，系统仍能够对该指令进行阻止。

2.1.3 供电备用系统

对风电机组而言，保持持续偏航状态非常重要。在供电备用电源设计时，考虑到在电网失电情况下，可以使用柴油发电机组向整个风电场提供动力电源。在容量设置上，需要对风电场内供电线路数据、机组型式数量以及柴油机的功率因数等因素进行综合考虑。

2.1.4 风速风向仪

在本机组上使用的风速风向仪最高只能测到50 m/s的风速。台风期间风速大、风向改变快，为使偏航备用系统得到更高风速及风向信息，在选取合适的风速风向仪和测量方法方面需要进一步研究。

2.2 载荷计算

基于GB/T 31519—2015《台风型风力发电机组》设计的机组塔基载荷如图 3所示。由图 3可知，在DLC9.10k-3工况下，塔基极限载荷 Mxy的最大值为98 805 kN·m。在 DLC9.9a-4工况下，塔基载荷 Mxy第二高值为68 347 kN·m。

在台风环境下，台风控制策略主要影响的载荷工况是DLC9.10，原塔基极限载荷最大值为98 805 kN。由图1可知，对风状态下的塔基载荷约为50 000 kN·m，所以采取台风控制策略可有效降低极限载荷。该值小于DLC9.9a-4工况下的第二载荷高值68 347 kN·m，所以在各台风载荷工况下，塔基极限载荷值应为68 347 kN·m。结合GB/T 18451.1—2012工况DLC1.1—DLC8.2可知，在DLC1.5工况下，Mxy达到最大值，为75 549 kN·m。综合分析可知，台风控制策略下的台风型机组塔基极限载荷为75 549 kN·m。

图1 DLC9.10工况下不同对风角度下的塔基载荷Fig.1 Tower base load at different wind angles under DLC9.10 working condition

图2 台风控制策略流程Fig.2 Flow chart of typhoon control strategy

图3 台风载荷工况下塔基载荷Fig.3 Tower base load under typhoon load

3 塔架轻量化设计及经济效益分析

经过载荷计算得出，采用台风控制策略的台风型风电机组在降低塔架载荷，增加塔架设计安全裕度方面效果显著。采用台风控制策略后，塔基Mxy载荷降低了 23.5%。根据塔基极限载荷和各截面载荷分布（如图4所示），重新设计塔架结构，实现塔架的轻量化设计，塔架质量约173 t，减轻了13%。

图4 新塔架随着塔架高度变化的MxyFig.4 Mxy of new tower with height of tower

以浙江某沿海风电场为例，风电机组台数按 24台计算，采用台风控制策略对机组塔架进行设计后，质量约为 173 t，而原来的台风型机组的塔架质量约为199 t。塔筒加工、运输单价为0.8万元/t，则每个风场的塔架节约建设成本499万元。

采用台风控制策略的台风型风电机组，在台风期间需要偏航系统不断对风运行，备用电源采用三台200 kW的柴油发电机，以保证供电连续性。预计在风电机组20年寿命内，柴油发电机购置费、油耗费、维护等费用总和约为83万元。由此可知，节约成本约为416万元。

综上所述，台风型风电机组通过采用台风控制策略，在实现塔架轻量化设计的同时，还能带来良好的经济效益，对于降低投资风险以及减少投资成本方面大有裨益。

4 现场载荷测试与分析

对浙江某沿海风电场上A05和A06两台样机塔架进行现场测试，其中 A05机组为基于 GB/T 31519—2015《台风型风力发电机组》设计的台风型机组，A06为采用台风控制策略的台风型机组。

在进行机组载荷测试时，主要考虑叶片根部载荷、风轮载荷、塔架载荷等主要载荷量。台风控制策略针对如何降低塔基载荷进行研究，本次试验只对机组塔基载荷进行测试。

采用电阻应变片对塔基的弯矩进行测量[9-10]，应变片安装在距离塔基法兰上平面4.0 m处。实验测试的数据采集模块组成为：德国 IMC集成测控有限公司的 IMC CANSAS模块 2个（SC16，DI16）；IMC CS7008主机模块 1个。利用实验数据处理系统对2018年 8月摩羯台风过境收集的数据进行处理，获得2台机组对风状态数据（偏航误差角）和塔基载荷每个通道的统计数据，通过实测数据通道间的实时计算，得到塔基的合成弯矩Mxy。

4.1 偏航误差角对比分析

摩羯台风期间，通过现场实测数据，该风电场最大风速约36 m/s（10 min平均）。A05机组的对风误差如图5a所示，可以看出，A05机组对风偏差基本处在±50°区间内，最大值为169°。A06机组的对风误差如图5b所示，可以看出，A06机组对风偏差基本处在±9°区间内，并持续处在对风状态下。两组风机数据对比说明，运用台风控制策略的机组能够实时处于对风状态，也证明了对该策略的有效性。

图5 两机组台风期间对风误差数据Fig.5 Data of wind error of two units during typhoon

4.2 塔基载荷对比分析

通过A05和A06号机组塔基在台风期间Mxy载荷数据的对比分析（如图6所示）[11]，得出普通台风型机组塔基Mxy值保持在40 000～50 000 kN·m区间，而运用台风策略的台风型机组塔基 Mxy值保持在22 000～34 000 kN·m之间，从而得出A06机组载荷值比A05机组载荷减小约16 000 kN·m。说明采用台风控制策略的风电机组能有效降低塔基载荷，对塔架结构优化设计作用明显，可实现机组轻量化。

图6 A05和A06两台机组塔基Mxy值统计Fig.6 Mxy value statistics of tower baseof A05 and A06 units

4.3 实测载荷与理论载荷对比分析

摩羯台风期间，机组处的最大风速为36 m/s，未达到设计的最大风速42 m/s（10 min平均值）。为了对 A06机组在台风期间实测值与理论值的相关性进行评估，对比分析BLADED软件计算的DLC9.10工况下的载荷数据与A06机组塔基Mxy实测值，如图7所示。对比可知，A06机组塔基载荷实测值与仿真计算值相比略高，但基本走势一致，处在25～34 m/s风速区间段，相关性达到94.1%。这显示了理论仿真计算结果与实测结果的高度一致性，同时也充分验证了台风控制策略及塔架轻量化设计的可行性[12]。