风电机组柔塔避振控制策略开发与验证

刘红文，王 靛，蒋 韬，万宇宾，翟大勇，陆仕信

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

“十三五”期间，我国风电场开发重心往中东部、南方地区转移，开发容量达4 200万千瓦以上[1]。中东部地区，如江苏、安徽及河南等省份，属于低/超低风速区域，风电场年平均风速一般较低。低/超低风速区域具有两个显著特点：（1）年平均风速低，典型值在5.0 ～ 6.0 m/s ；（2）风切变大，典型值均在0.2以上。

回顾风电技术发展历程，为了提高年发电量，我国在长叶片风电机组方面进行研发，取得了很多技术性突破。如2 MW风电机组产品，低风速产品的风轮直径从110 m发展到115 m，再到121 m，至目前为止，已经有126 m乃至130 m风轮直径的超低风速产品[2]。风轮直径的增加，主要从“扫风面积”技术指标提升对风的捕获能力，从而提高风电机组的年发电量。我国在低风速技术方面的这些技术创新，持续引领全球低风速风电机组技术革新换代，促使具有开发价值的风资源的年平均风速下探到5 m/s乃至更低，为我国“弃风限电”背景下的风电行业发展开辟了新的发展方向。而国外，由于风资源特性差异，其主要创新集中在高塔架风电机组的技术研究和开发方面，塔架高度从120 m到160 m的风电机组均有批量装机，100 m以上塔架高度的风电机组安装数量达万台以上。从风资源角度来说，风速会在垂直距离上有变化，该变化被称为风切变。风切变越大，表征风速在该维度上变化越大。可以利用该特性开发不同高度的塔架以提高风场年平均风速。以85 m塔架高度为基准，120 m塔架高度相对于85 m塔架而言，当85 m塔架高度对应风场年平均风速为5 m/s时，风切变在0.1～0.3范围内变化，则120 m高度对应风场的年平均风速可增加0.2～0.6 m/s，对应年发电量提升约6.6%～22.7%。因此，随着风电开发重心的转移，如何利用和解决高风切变的技术成为我国风电技术最新发展趋势，高塔架风电机组开发技术成为整机厂家新的技术和产品竞争热点。

目前我国高塔架主要有全钢柔塔（简称“柔塔”）和钢混塔（简称“混塔”）两种技术路线。柔塔技术因对塔筒的设计方法、工艺和质量要求与常规塔筒的一致，且供应链成熟，具有成本优势，因此受到市场青睐。但选择柔塔技术时，需权衡经济性以及结构强度，因为塔架的一阶固有频率与风轮的一倍转速频率（1P）有交点，存在共振点，会影响机组安全性。为此需要设计独特的控制策略，从根本上避免机组长期、稳定运行在转速共振区间，即需设置转速禁区，该区间的大小一般为转速共振点的10%[3]。对于转速禁区的控制方式，主要有荷兰能源研究中心ECN[4]和E.A.Bossanyi[5-6]提出的两种不同控制方式，其中ECN所提出的方法为转速-转矩查值法，并未采用PID自适应控制；E.A.Bossanyi提出在共振转速前后10%内设置转速禁区，在该转速禁区内以一定斜率增加/减小转矩给定值，实现共振转速穿越，但并未考虑转速禁区间的能量损失；文献[7]对荷兰能源研究中心ECN和E.A.Bossanyi的两种方法进行了定性的对比分析，并确定以设置转矩函数，保证负载转矩与驱动转矩之间形成匹配的控制方法，其也未采用PID自适应控制。本文提出一种新的柔塔控制策略，其基于PI控制的转速禁区控制器，自适应控制并实现转速穿越，以避免风电机组运行于共振转速区间，减小因共振所导致的异常载荷。该策略开发依托2MW D121型机组125 m柔塔项目，经过了Bladed软件仿真验证，并在河南内黄高塔样机进行挂机运行，结果表明本文所采用的全新策略可成功解决柔塔共振技术难题。

1 柔塔机组共振问题分析

风电机组是一个多耦合、非线性系统，其动态响应可以用考虑多自由度和柔性的数值仿真软件进行模拟。在分析柔塔共振问题时，可以将塔筒-机舱系统简化成一个单自由度振动系统，塔筒的运动方程[8-10]可被描述为

式中：M——质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——刚度矩阵；F——轴向推力；qi——位移矩阵；——速度矩阵；——加速度矩阵。

根据式(1)，塔筒的一阶固有频率为

由式(2)可知，塔筒固有频率f和刚度K成正比，与质量M成反比。随着塔筒高度的增加，刚度K将会减小，塔筒固有频率也会降低，在风电机组运行转速区间，风轮的1倍转速频率1P将会和塔筒固有频率相交，引起塔筒共振。如图1所示，对于125 m高度塔筒，其一阶固有频率为0.175 52 Hz，与1P在10.6 r/min处有共振点，需要采取相应控制策略以避免风电机组发生共振。

图1 风电机组整机Campbell图（塔架高度为125 m）Fig. 1 Campbell diagram of wind turbine(tower height is 125 m)

2 基于PI控制的柔塔避振策略

风电机组一般采用最大风能捕获的常规控制策略，其控制的转速-转矩曲线为图2中的A-B-C-DE-F-G。其中，A-B与E-F两段恒转速区间采用PID控制，B-C-D-E段采用最优风能捕获控制，F-G段采用变桨控制。而对于采用柔性塔架的风电机组，因其一阶固有频率与1P有交点(图2中的O点)，如仍采取常规控制策略，会引起共振。当振动超过结构极限，则会造成塔筒结构损伤，甚至发生倒塌。故需设计一种控制策略，在共振频率附近，形成转速禁区（该区间不能成为风电机组稳定运行区间），即转速-转矩控制曲线变为A-B-C-H-I-D-E-F-G。

图2 柔塔控制策略Fig. 2 Soft tower control strategy

风速波动时，原本在C-D段允许稳定运行的转速段，需要通过控制发电机转矩给定来调节发电机转速，让其运行在C-H或者I-D段。根据振动机理，运行转速在共振点±5%范围以外时，共振可明显消除。针对风电机组柔性塔架，转速禁区段C-H及I-D一般取共振频率对应转速的±10%。因此，本文在原有转速-转矩控制器基础上，额外增加转速禁区控制器（图3），通过PI控制调节该控制器的输出转矩，并根据风速情况自适应控制，达到转速穿越目的，转速禁区控制逻辑如图4所示。

图3 转速禁区控制框图Fig. 3 Block diagram of speed exclusion zone control

图4 转速禁区控制逻辑Fig. 4 Control logic of speed exclusion zone control

图4中，转速参考点下限值对应图2的C-H段（简称“LowerSP”），此时控制器输出限幅值为[0,转矩上限值]；转速参考点上限值对应图2的I-D段（简称“HigherSP”），此时控制器输出限幅值为[转矩下限值，0]。两个参考点之间的切换逻辑如下：若转速禁区控制器输出达到转矩上限值时，控制器的转速参考点被设置为HigherSP；若转矩禁区控制器输出达到转矩下限值时，控制器的转速参考点则被设置为LowerSP。

综合图2～图4。风电机组柔塔在全风速段的控制过程详细描述如下：

（1）A-B区间，常规转矩控制器起作用，转速禁区控制器输出为0，风电机组维持最低稳定转速运行。

（2）B-C区间，常规转矩控制器起作用，转速禁区控制器输出为0，风电机组维持最优Cp（风能利用率）运行。

（3）C-H或I-D区间，转速禁区控制器输出起主导作用，根据外部风速情况，维持机组在C-H段或I-D段运行，或根据风速在C-H段与I-D段间自适应切换，避免机组在转速禁区稳定运行从而引起共振。

（4）D-E区间，常规转矩控制器起作用，转速禁区控制器输出为0，风电机组维持最优Cp运行。

（5）E-F区间，常规转矩控制器起作用，转速禁区控制器输出为0，风电机组维持以最高稳定转速运行。

（6）F-G区间，常规转矩控制器起作用，转速禁区控制器输出为0，风电机组进行变桨调节。

3 仿真及验证

本文以2 MW D121型风电机组125 m柔塔为研究对象，其设计约束如下：（1）年平均风速为6.0 m/s；（2）湍流强度为B类；（3）风切变为0.33；（4）塔架高度125 m。该样机被安装于河南省内黄县境内。本文首先采用Bladed软件仿真验证所提策略的控制逻辑以及载荷适应性，然后在样机上进行控制逻辑验证与效果验证。

3.1 Bladed软件仿真

将柔塔避振控制策略编制成外部控制器，利用Bladed软件在转速共振点对应风速附近生成随机湍流风（图5），以模拟风电机组实际运行工况，验证控制策略的有效性。

图5 6 m/s湍流风Fig. 5 Turbulence wind with average speed of 6 m/s

有转速禁区控制和无转速禁区控制的仿真结果如图6所示。结果表明，无转速禁区控制的风电机组存在在转速禁区内运行的风险；而采用转速禁区控制器后，风电机组按照控制逻辑将转速控制在LowerSP和HigherSP两个恒转速段，可根据风速自动切换运行，避免了在转速禁区内运行的风险。

图6 发电机转速对比Fig. 6 Comparison of generator speeds

图7对比了采用转速禁区控制器前后塔架左右方向的振动加速度情况。结果表明，柔塔增加转速禁区控制器后，振动位移明显减小（红色线），符合柔塔设计预期要求。

图7 塔筒振动对比Fig. 7 Comparison of tower vibration

3.2 样机现场验证

对采用柔塔控制策略的柔塔样机进行了现场验证，结果分别如图8和图9所示。图9中，状态1对应图2的C-H段，状态3对应图2的I-D段，状态2对应图2中C-H到I-D或I-D到C-H间切换暂态。

图8 柔塔样机发电机转速Fig. 8 Generator speed of the soft tower prototype

图9 柔塔样机振动加速度对比Fig. 9 Acceleration comparison of soft tower prototype

从图8可以看出，采用柔塔控制策略后，柔塔机组不会在设计的转速禁区内形成正常运行点。转速禁区控制器可使机组运行在设计的转速禁区最高稳态运行点HigherSP（图8的标识1和标识3）或者转速禁区最低稳定运行点LowerSP（图8的标识2和标识4），且可在1-2，2-3，3-4状态实现自适应平滑切换。

图9为柔塔机组在转速禁区内穿越时的机舱前后及左右方向的振动加速度情况。可以看出，从转速禁区最高稳态运行点切换至转速禁区最低稳定运行点时，机舱前后及左右振动加速度没有明显增加。这说明本文所设计策略对于避免塔筒共振是有效的。

4 结语

针对柔塔因一阶固有频率与风轮转速1P存在交点而存在共振风险问题，本文设计了一种基于PI控制的转速禁区控制器，并采用自适应控制方法实现了柔塔转速穿越。Bladed仿真以及样机验证结果表明,采用该控制策略能够避免风电机组在共振转速区间运行，解决了柔塔机组的1P共振技术难题。由于转速禁区控制器牵涉到多个控制参数之间的匹配，在特定场址风资源条件下，需根据风频分布情况，对转速禁区的宽度以及控制参数进行针对性优化，这是下一步研究方向。