1海上風電機組的基本控制策略

變速變槳控制是目前主流風電機組的基本控制策略，主要分為額定功率以上控制和額定功率以下控制。額定功率以上控制主要通過變槳控制來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，保證電功率的穩(wěn)定輸出;額定功率以下控制主要通過轉(zhuǎn)矩控制來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使機組輸出功率最大化。圖2為機組的基本控制框圖。通過測量的發(fā)電機轉(zhuǎn)速，變槳控制器計算得到機組的變槳角度給定，轉(zhuǎn)矩控制器計算得到機組的發(fā)電機轉(zhuǎn)矩給定，偏航控制系統(tǒng)負責機組對風。

機組運行在變速區(qū)間時，變頻器將給定轉(zhuǎn)矩作用在發(fā)電機氣隙轉(zhuǎn)矩。轉(zhuǎn)矩控制器一般具有較高的帶寬，給定轉(zhuǎn)矩可以很快地改變發(fā)電機的氣隙轉(zhuǎn)矩。低風速區(qū)，轉(zhuǎn)速被控制在一定范圍內(nèi)，通過一定算法給定發(fā)電機轉(zhuǎn)矩使吸收功率最大化。中間風速區(qū)，機組達到額定轉(zhuǎn)速，利用增量式PI控制器來計算發(fā)電機轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。此外，通過傳動鏈加阻控制算法在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩給定上加一個較小的波動來增加傳動鏈的阻尼高風速區(qū)，轉(zhuǎn)矩達到額定值，利用變槳控制來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。變槳控制器一般也采用增量式PI控制器。由于變槳角度越大，機組氣動轉(zhuǎn)矩的靈敏度越大，PI控制器增益通過葉片的氣動特性進行設計。額定功率以下保證最佳槳距角，同時保證轉(zhuǎn)矩控制與變槳控制的解耦。

2海上風電機組的載荷分析及其仿真

本文討論的是海上風電機組載荷及其控制方法，首先對海機組的載荷進行詳細分析。由于海上風機所處的海洋環(huán)境不同，其載荷來源和設計特征是不同的。陸上風機的載荷來源主要包括：慣性和重力載荷、空氣動力載荷和運行載荷，其中空氣動力載荷是主要載荷。除以上載荷外，海上風機的載荷來源還包括：水流載荷、海冰載荷、船舶沖擊載荷，其中水流載荷包括：海流載荷、波浪載荷和潮汐載荷。海上風機所處的載荷環(huán)境具有很大的不確定性。隨機的非線性風載荷和波浪載荷等都將給海上風機安全控制提出較大挑戰(zhàn)。本文將重點討論海上機組的空氣動力載荷和海波載荷對機組的影響。

2.1空氣動力載荷由于海面粗糙度比地面粗糙度要低，海上風機具有更低的湍流和更低的風剪切，這將一定程度上降低機組的載荷。但是海上風特性具有更高的年平均風速，又將加大機組的載荷。海上機組的空氣動力載荷具有特殊性。塔架所受載荷是海上機組區(qū)別于陸上機組的最主要載荷。塔架總載荷主要包括塔架頂部載荷、塔架風載載荷和海波載荷。Fr表示風輪載荷，F(xiàn)a表示塔架的風載載荷。

2.2海波載荷當水流通過塔架支撐結(jié)構時，其相互作用就產(chǎn)生了流體載荷。主要的流體載荷由波浪和海流產(chǎn)生，有時也包括因潮汐帶來的海平面波動產(chǎn)生的流體載荷。Fc表示海流載荷，F(xiàn)w表示波浪載荷。

2.3海上風電機組載荷來源仿真及分析基于以上分析，按照相關標準，使用Bladed軟件對平均風速為19m/s湍流風時某海上風電機組發(fā)電運行工況進行模擬，如圖3和圖4。圖中，曲線“-”表示機組在只受風載時(與陸上機組類似)發(fā)電運行工況的模擬。曲線“•”表示機組在受風載和海波載共同作用時(與海上機組類似)發(fā)電運行工況的模擬。

在兩種工況下，機組的運行轉(zhuǎn)速、輸出電功率、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、葉片載荷、輪轂載荷、偏航軸承載荷等相差很小，而機組的塔架載荷則有明顯差別。主要是由于海波影響塔架和基礎的載荷，對其它部件載荷影響較小。陸上機組的阻尼主要有結(jié)構阻尼和氣動阻尼。

海上機組受到海波載荷時，由于塔架和基礎受到流體作用，機組的阻尼除了結(jié)構阻尼和氣動阻尼之外，還有流體阻尼，這將一定程度地減小機組發(fā)電運行的疲勞載荷。下面重點分析海上機組塔架所受的慣性和重力載荷、空氣動力載荷和海波載荷，如圖5所示。圖5中，曲線“-”表示機組在旋轉(zhuǎn)運行過程中只受到慣性和重力載荷作用下的塔架載荷Fx;曲線“•”表示機組在旋轉(zhuǎn)運行過程中慣性和重力載荷與海波載荷共同作用下的塔架載荷Fx;曲線“-”表示機組在旋轉(zhuǎn)運行過程中慣性和重力載荷與風載共同作用下的塔架載荷Fx。

從圖中可以看出，當機組只受到慣性和重力載荷且在額轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，塔架的阻尼只有結(jié)構阻尼，其受力均值較大。當機組受海波或風載運行時，塔架的等效阻尼包括氣動阻尼和流體阻尼，其受力均值有所減小。但由于風湍流、風切變等影響，風載的波動較大。

3海上風電機組載荷控制的幾種方法及其仿真

風電機組控制系統(tǒng)在高風速時進行功率調(diào)節(jié)，低風速時進行最優(yōu)控制。除此之外，控制系統(tǒng)的動作會對機組載荷產(chǎn)生主要的影響。本文提出了幾種降低海上風電機組載荷的控制方法。這些方法均是在現(xiàn)有的控制策略中增加控制環(huán)或邏輯，來減小機組的載荷。本文選取了某海上機組進行了仿真研究。

3.1主動空轉(zhuǎn)控制當機組處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)時，通常會順槳至順槳位置(85到90度左右)，機組很慢地旋轉(zhuǎn)或不旋轉(zhuǎn)。此時機組的阻尼較小，只有結(jié)構阻尼。為了減小海上機組受到海波載荷的影響，可以增加機組的氣動阻尼，讓風輪作低速旋轉(zhuǎn)。為了增加風輪的氣動阻尼，可以減小變槳角度，使空轉(zhuǎn)風輪的轉(zhuǎn)速得到一定的提升。風輪轉(zhuǎn)速的微小增加，就可以增加機組的氣動阻尼，減小海波載荷對機組的影響。

圖6為某海上風電機組主動空轉(zhuǎn)控制策略的仿真曲線。曲線“-”表示海上機組的基本控制策略仿真曲線;曲線“•”表示機組在主動空轉(zhuǎn)控制策略下的仿真曲線。從圖中可以看出，海上機組基本控制策略中空轉(zhuǎn)狀態(tài)時，變槳角度為90度左右，風輪轉(zhuǎn)速很小，幾乎為零，其塔架載荷較大;而主動空轉(zhuǎn)控制策略下機組的變槳角度減小為30度左右，風輪轉(zhuǎn)速得到了一定提升為3rpm左右，其塔架載荷得到降低。

3.2塔架加阻控制策略氣動阻尼是現(xiàn)代主流風機運行時的主要阻尼。通過增加阻尼來減小氣動載荷和水流載荷引起的塔架前后方向運動。可以通過變槳控制來增加氣動阻尼，從而降低塔架和基礎的載荷。塔架加阻控制策略是增加機組阻尼的一種重要方法。湍流、塔影、風切變以及海拔載荷的變化都可能使風機塔架產(chǎn)生振動，振動通過變槳系統(tǒng)的放大，反過來通過外部激勵作用到風輪上。

當激振頻率接近機組某部件的固有頻率時，將產(chǎn)生受迫振動，導致機組運行不穩(wěn)定。特別是葉片作為吸收風能的主要部件，受到的影響最大，一旦葉片和變槳控制發(fā)生耦合，在控制回路中會不斷放大塔架的微小振蕩。尤其再加上海上復雜海波載荷的作用，機組可能發(fā)生自激振蕩，甚至共振。塔架的前后振動是很弱的阻尼振蕩，具有很強的諧振響應，即使在風速和海波很小的時候也可以保持很強的諧振。響應的快慢取決于阻尼的大小，主要來自于風輪和塔架的等效阻尼。

塔架的動態(tài)特性可以用簡單的二階諧波阻尼系統(tǒng)近似進行描述：式中，x為塔架的位移;F為外加力，這里代表風和海波的共同推力;為由變槳控制動作所引起的附加應力;M為塔架的等效模態(tài)質(zhì)量;K為模態(tài)的剛度系數(shù);則塔架頻率為。如果與-X成正比，則可以明顯增加有效阻尼振蕩。因為測量加速度要比測量速度容易，因此通過對塔架加速度的積分來推出x的變化。

為了得到精確的附加阻尼Dp，由應力對槳距角的偏微分可以得到合適的增益，其中為槳距角。有時需要在反饋中串聯(lián)一個陷頻濾波器，用于限制葉片穿越頻率。通過變槳裝置中的塔架阻尼控制器可以調(diào)整機組的有效阻尼大小，有效減小機組振動。圖7和圖8為使用塔架加阻控制和未使用塔架加阻控制的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，塔架加阻控制時，機組的變槳角度變化會稍微加大，因為變槳控制響應了機組振動加速度反饋項，盡管變槳機構動作明顯增加，但需要的變槳速率卻變化很小;機組的電功率輸出、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、葉片載荷、輪轂載荷、偏航軸承載荷影響較小;但機組的塔架載荷得到明顯降低。這種控制策略增加了塔架的阻尼，明顯地降低了塔架的基本載荷。

3.3海上風電機組抗臺風策略上面討論了在空轉(zhuǎn)狀態(tài)和發(fā)電運行狀態(tài)下海上風電機組的載荷控制方法。因為海洋環(huán)境的特殊性，在很多海域都會有臺風發(fā)生。除了正常海況外，海上風電機組必須能夠經(jīng)受臺風的考驗。本節(jié)主要分析海上風電機組在臺風來臨時的應對策略，降低機組載荷。臺風到來前，根據(jù)氣象部門提供的氣象信息，可以大致推測臺風的強度和抵達時間。如果臺風得到削弱，其抵達風速在機組允許運行范圍內(nèi)機組可以照常發(fā)電。

如果臺風較強，超出運行風速范圍，控制系統(tǒng)可以自動使機組進入大風保護狀態(tài)，機組安全順槳停機，但此時偏航控制系統(tǒng)需要進入抗臺風狀態(tài)。目前針對抗臺風的偏航策略主要有三種：偏航正對風控制、偏航尾部對風(相當于偏航誤差為180度左右)和偏航垂直對風(相當于偏航誤差為90度左右)。圖9是在平均風速為47.6m/s臺風下對以上三種偏航策略的仿真結(jié)果。從圖中可以看出，偏航垂直對風時，除了塔架My較小外，葉片載荷Mxy、輪轂載荷Myz、齒輪箱轉(zhuǎn)矩、偏航軸承載荷Mxy都比較大。相反地，偏航正對風和偏航尾部對風時，除了塔架My較大外，其他載荷都比較小;其中，偏航尾部對風時，葉片載荷Mxy和輪轂載荷Myz最小，偏航軸承載荷Mxy和塔架My相差不大。綜上，應對海上臺風的偏航控制策略中，偏航尾部對風最好，偏航正對風次之，偏航垂直對風最差，其它角度偏航位于中間范圍。

4結(jié)論

本文介紹了海上風電機組的基本結(jié)構和基本控制原理，分析了海上風電機組的載荷來源及其特殊性，之后分析并仿真了海上風電機組慣性和重力載荷、空氣動力載荷和海波載荷的影響，最后分別在空轉(zhuǎn)狀態(tài)、發(fā)電運行狀態(tài)和大風甚至臺風環(huán)境下提出了一些降低海上風電機組載荷的控制方法，并進行了有針對性的仿真。仿真表明，這幾種控制策略對降低海上風電機組載荷具有較好的效果。

作者：楊明明 蘇麗營 辛理夫 李磊 何榮光     單位：華銳風電科技(集團)股份有限公司