海上大兆瓦风电机组抗台风控制策略设计研究

(国电联合动力技术有限公司，北京 100039)

0 引 言

我国风能资源储量丰富，东海、南海海域具有风能资源优势，适宜进行风能开发，建立在海边或海上的风力发电系统占据了风力发电设备的相当比例。然而在这两个海域台风频频发生，而在台风来临之际，风机力学环境恶劣，超高的风力载荷导致叶片损毁严重、损毁比例高，为后期投入和检修维护带来极大挑战。由于台风的影响，我国海上风电装机容量远远低于陆上风电装机容量，因此，抗台风是海边以及海上风力发电系统面临的一个巨大难题。

沿海和海上是台风频发地区，台风对机组的危害包括两个方面，一是风速超过设计极限，引起机组结构部件的损毁，包括叶片折断、塔架倒塌、风机倾覆等，台风来临时，高压输电网会出现断电或人为断电的情况，使机组处于断电状态，偏航系统无法工作，机组受到巨大的外力冲击，对机组结构强度是个极大的考验；二是风向突变，机组在侧向来风的情况下，对变桨执行机构和偏航执行机构的破坏。随着机组设计功率的提高、塔筒高度和叶片长度的增加，台风对机组的威胁也越来越大。

有关抗台风的方法，整机厂商往往更多通过优化塔架结构、增强塔架或叶片强度等实现，少有整机厂商通过控制策略的主控保护措施使机组处于相对安全的位置。文中给出的海上风电机组抗台风的控制方法，可使风电机组单机时刻保持主动性、对台风的变化主动进行偏航动作以减小风机载荷，大大减小了台风对风电机组的冲击，且在风速仪、风向标失效时依然保持有效，适用于海上大型风电机组单机抗台风控制。

1 海上大兆瓦抗台风策略设计

1.1 策略概述

本风电机组抗台风策略该模式分为预解缆、台风两个阶段，模式的进退指令由中控人员通过SCADA系统远程发出。在预解缆阶段，机组首先收桨正常停机，判断机组当前扭缆角度，根据机组状态进行偏航解缆动作，将扭缆角度释放360度以给下一阶段调整偏航角度留出余量。待风机完成偏航解缆动作之后，中控人员给出台风阶段进入指令后，机组进入台风阶段偏航调整状态，在整个台风过程中，以台风主风向为控制目标，不断进行偏航调整，以求降低机组载荷。

1.2 抗台风策略主运行状态逻辑设计

海上兆瓦级抗台风策略要求在中控系统给出“抗台风模式”指令后，机组正常停机，随后进入预解缆阶段。在该阶段，如果偏航扭缆角度超过改机组余量设计扭缆角度，且满足解缆操作的其他条件，则进行一次解缆动作，解缆动作需连续进行360度，随后机组偏航系统正常对风。抗台风模式指令解除(由中控室给出)，机组恢复至待机模式，待无其他故障信息，并满足风速、温度等机组启动条件后，机组自动正常启动，抗台风策略运行状态机过程如图1所示。

当风电机组进入抗台风模式后，机组首先正常停机，然后机组可进入追风偏航状态，在整个台风过程中，以台风主风向为控制目标，不断进行偏航调整，以求降低台风对机组的冲击。特殊情况应对：进入台风模式后，机组进行正常停机操作，此时若机组处于其他更高级别停机流程中，停机过程不会重复触发，继续执行抗台模式下的状态机。

图1 机组运行状态机

1.3 抗台风模式执行流程设计

在进入抗台风模式后的任何时刻，若收到模式解除指令，则风电机组复位，转入待机模式运行。

上述模式中的各阶段的进退指令可由中控人员通过SCADA系统远程发出控制。中控人员主要是根据气象部门数据及风电场气象预测系统决定，通过SCADA系统手动给出。该模式优选分为两个阶段，即STEP1-预解缆阶段和STEP2-台风阶段。抗台风模式STEP1指令给出后，机组进入预解缆阶段，在接到STEP2指令后则进入台风阶段。在两个阶段的任何时刻，若收到模式解除指令，则机组复位后可转入待机模式运行。抗台风模式执行流程及功能图如图2所示。

本策略偏航对风动作的逻辑条件包括：Nmin平均风速超过预先设定的风速阈值；以及T1时间内平均偏航误差超过预先设置的台风风况下的对风误差阈值γ。

图2 抗台风模式主要流程及功能图

具体地，上述偏航对风动作的逻辑条件包括：N分钟平均风速超过预先设定的风速阈值；以及T1时间内平均偏航误差超过预先设置的台风风况下的对风误差阈值γ。即满足上述条件后，启动偏航对风动作。根据台风区相关数据及文献发现，在台风来临24小时内，上述逻辑条件的默认设置值为：5 min平均风速超过6 m/s；以及30 s内平均偏航误差超过对风误差阈值30度。此时的γ值是台风风况下的对风偏差值，不同于正常运行时偏航对风的阈值误差β。

1.4 极端情况处理

考虑到在台风模式下，由于风况极端，瞬时风速可以达到40m/s以上，常有风向标、风速仪这一类风况传感器被台风摧毁的情况发生。为了应对这种极端情况，本策略特设计使用SCADA系统将当前风电机组相邻机位(优选两个机位)风向平均值传给本台机位，作为本台机位在风向标失灵的情况的参考偏航风向。具体互动过程如下：

(1)当前机组检测到风向标故障，同时给SCADA系统传出风况传感器故障信息Alarm1；

(2)SCADA收到Alarm1时，取故障机位的相邻两个机位的绝对风向，做移动平均值计算，并间隔一定时间传给故障机位作为风向参考；所述时间根据机位排布位置及距离情况设定，初始默认3 s；

(3)故障机位收的到SCADA传来的绝对风向，以此作为参考，继续执行抗台偏航指令。

风电机组在遇到极强台风将风向标等测风器件摧毁时，风机能够借助升压站场级中央监控系统获得相邻机位的平均风向作为控制参考，继续执行偏航抗台风动作，体现出本策略的智能控制特点。

按照目前大部分机组安全链设计思路，如果安全链模块动作，将会在电气回路上切断相关两个继电器。其中安全链回路串联入偏航系统回路，即安全链动作后，偏航系统将不能继续执行偏航动作。

但在台风模式下，需要偏航系统在偏航自身无故障的情况下，继续接受偏航指令动作，正常完成解缆、对风等一系列动作。为了满足台风模式对偏航系统的要求，需要对目前的安全链系统进行改动，在其输入端引入台风模式命令信号，直接并联控制信号输出端。该信号在机组进入台风模式后，如偏航系统限位开关未触发安全链，则由主控系统置为高电平，从而使在台风模式下，即使安全链断开，只要偏航限位开关未被触发，机组依然可以进行偏航动作。

2 抗台风策略效果测试

对文中给出的海上大兆瓦机组的抗台风测略在Bladed软件中进行台风环境下的测试， 如图3

所示，是模拟在35米/秒的强台风风速下启动抗台风模式时风机所受载荷对比。从图中可以看出，相比没有抗台控制策略而言，在启动抗台风策略进行主动偏航控制调整时，机组所受的载荷能够减小30%～50%。进一步地，如果在台风强度更大或者方向变化更大的情况下，本策略能够对机组起到明显的主动保护效果。

图3 抗台风模式下机组降载效果对比

3 结束语

图4 具有抗台风策略的某海上风电场实物图

文中给出一种海上大兆瓦抗台风主动动作的控制策略。该策略主要应用于台风来临前的主动抵御，风机可以通过左右偏航调整，时刻保持正对风向。将台风对风电机组叶片及机身的冲击降到最小，保证风电机组不被台风摧毁或由于台风减少使用寿命，大大减少了台风对风电场投资带来的经济损失。