海上风电机组抗台风策略与应急管理研究

海上风电机组抗台风策略与应急管理研究

林玮

浙江浙能嘉兴海上风力发电有限公司 浙江嘉兴 314201

摘 要：为保证海上风电机组能较好在台风等恶劣天气下生存，本文首先给出了台风极值风速大、非平稳性强、风向变化快等基本特征，分析了台风对海上风力发电机组的动静载荷效应及常见的失效模式，在此基础上，分析风机关键部件及控制策略，并对主流控制逻辑进行了一系列针对性功能嵌入，使机组按逻辑，通过SCADA操作机组进行抗台前准备动作及台风期间的偏航控制策略等一系列动作有效降低对台风的冲击，最后进一步提出抗台应急管理措施，保护海上风电机组可靠安全运行。

关键词：风电；海上；抗台；控制策略

0 引言

随着海上风电的不断发展，在国家政策的大力持下，即将迈入大规模的海上风电场建设阶段。我国东海、南海风能资源丰富，海上风电建设全面加速，然而在我国位于太平洋西侧，为受台风影响最为严重的国家之一。

本文首先研究分析了台风对海上风电机组的动静载荷效应影响，在此基础上结合抗台风型风电机组的实际情况，从风机主要部件设计到控制策略做好相关保障措施，避免风机的颠覆性破坏，并力争实现基于可靠度的抗台风设计；最后进一步提出抗台应急管理措施，保护海上风电机组可靠安全运行。

1 台风对海上风力发电机组的影响分析

1.1台风对机组的静载荷效应

台风环境下的风压影响对机组造成静载荷效应。当风的流动遇到物体而受阻时，风速变小，向风面风压升高，流经结构后在背风面通常产生紊流，使风速局部升高而风压降低，对背风面造成吸力，前后相加形成牵引力，对迎风面及背风面也各自形成了压力及吸力。台风影响设备时，设备结构所受风压静力与空气密度和风速有关，台风时空气密度很大，风速有时高达70m/s，因此，在受风面积一定的情况下，极易超过设计载荷极限，使设备遭到破坏。

1.2台风对机组的动载荷动力效应

台风环境下常伴随高湍流，并进而对风电机组施加了动载荷，造成机组的动载荷效应，导致机组破坏性失效。台湍引起风速、风向及其垂直分量迅速扰动或不规律性，在台风特性作用形成湍流团，在湍流区域有较大的气流混合与能量转换活动，给区域内的设备造成破坏。当风速达到某一数值时，结构的背风面即产生方向相反的两组湍流顺风而下，这两组湍流交替产生，在产生湍流的一侧,因风速局部提高而压力降低,故对结构体有一吸引力,其主要分力与风向垂直;当另一侧产生湍流时,其吸力方向几乎相反。因此,对设备结构形成周期性激荡,如湍流产生的周期恰好与风力发电机组固有振动周期相近时,设备结构就产生横向的共振,最终导致破坏设备。

1.3台风危害的其他因素

台风夹带的细小沙砾造成破坏叶片表面,轻则影响叶片气动性能,产生噪音,严重的将因此破坏叶片表面强韧性由此降低叶片整体强度。

台风带来的狂风暴雨对输电线路的破坏非常严重,轻则使其出现小故障，重则损坏设备以及导致整个系统崩溃。因不能正常供电使风力发电机组不能执行安全保护程序,给设备带来危害。

风所蕴含的巨大能量往往把测风装置破坏,使风力发电机组不能正确偏航避风,给风力发电机组带来很大危害。

2 海上风电抗台风分析设计及改善建议

2.1 叶片

风电机组叶片是风电机组的关键部件，其性能好坏直接影响风电机组的整机载荷大小、抗台风性能和风电机组在超强台风中的生存率。台风对风机的破坏有叶片断裂、塔筒倒塌、塔筒弯曲、舱掉落、塔筒扭曲、塔筒拔起等，情况复杂多样。一般台风对风机的叶片的损坏是最大的，叶片通常会承受弯曲、扭矩及剪力，在三者共同作用下，叶片会在最薄弱位置形成纵向、横向不规律的作用，当达到一定的疲劳状态下则产生裂痕，甚至破坏性断裂损坏。对此，应提高叶片抵抗台风能力或改善薄弱环节，避免更大的损失。如在叶片生产过程中，进一步加强叶片局部缺陷检测力度，以改善叶片的抵御台风能力；采用FEM对叶片铺层进行优化设计，提高叶片强度和刚度，提高叶根抗弯模量；在超出风机抗台风极限风速时，允许叶片在某位置折断设计，减少风机受风负载，保护塔筒的抗风能力；或应采用新材料，如采用炭纤维叶片在叶片上的应用是大型海上风电场叶片的趋势。

2
.2.塔筒

风力发电机组抗台风设计的目的是避免颠覆性破坏，可以考虑增加塔筒的钢强度和塔筒锥度，强化为了避免在台风期间被叶片打到造成塔筒折断， 风机可以采用下风向对风，机舱改为流线型设计，减少风的阻力，增强抗台风能力。塔筒的稳定性分析又称为屈曲分析，是最常见、最重要的一类几何非线性分析，它研究结构或构件的平衡状态是否稳定的，目的是求解结构从稳定平衡过渡到不稳定平衡的临界载荷和失稳后的屈曲形态。在大型海上风电机组设计中，不断采用轻质高强度材料的零部件尺寸也在不断加大，使稳定性问题变得越来越突出，屈曲分析显得尤为必要。海上风电机组塔筒应充分考虑在台风的影响下塔筒的屈曲情况，选用高强度的塔筒材料；或增加导管架或基层平台的高度，减少塔筒的高度，减少风机机舱摇摆幅度。

2.3 控制策略设计

2.3.1抗台风策略运行状态逻辑：

鉴于台风的各种特征，当台风来临时，风电机组首要的任务是确保机组设备和人员安全，针对沿海多台风地区的特点，海上风电机组引入了风电机组“台风控制模式”设计台风模式控制策略：当台风来临时,控制系统开始动作，风电机组桨叶紧急顺桨至91°并锁定，叶片处于气动刹车状态；输入风机对风角度，风电机组偏航至设定角度（±3°）停止偏航，偏航系统抱闸锁定；主轴刹车释放（高速轴制动器），叶轮锁定释放，叶轮处于自由转动状态。如图1所示。

2.3.2 抗台风策略逻辑设计：

在台风模式基础上设计风机抗台风策略模式：分预解缆、台风两个阶段，模式指令由中控人员根据气象部门数据及风电场气象预测系统决

图1 机组台风模式流程

定，通过SCADA系统远程发出。STEP1：预解缆阶段，风机首先正常收桨正常停机，判断机组当前扭缆角度，根据风机状态进行偏航解缆动作，将扭缆角度释放360度以给台风来临前调整偏航角度留出余量；待风机完成偏航解缆动作后，集控控人员给出STEP2指令，收到指令后，机组进入台风阶段偏航调整状态，在整个台风过程中，以台风风向为控制目标，不断进行偏航调整，以求降低机组载荷。在两个阶段的任何时候，如收到模式解除指令，则机组复位后可转入待机模式运行。升级后的抗台风模式流程如图2。

如台风风况恶劣，出现风向仪、风速仪等设备损坏，数据测量不准等极端情况下，SCADA系统将当前风机相邻机位（优先选择）风向平均值传给本机，作为本机位风向无数据情况下的参考风向；亦可以通过人工输入风数据以作为紧急处理。

按照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偏航系统回路，即安全链动作后，偏航系统不能继续执行偏航动作。需要我们在偏航系统无故障情况下，继续接受偏航指令，完成解缆、对风等动作。因此，我们在安全链输入端引入台风模式指令，并联控制信号输入端，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，则主控系统置为高电平，从而在台风模式下，只要偏航限位开关未动作，机组仍然可以进行偏航。

图2 抗台风偏航模式功能图

3风电场应急管理

风电机组的叶片、结构、控制策略等固然重要，科学合理的风电场抗台风应急管理模式，对抗台风有着显著的效果，因此，在台风来临之前做好充分的应对准备，可以更有效地应对超强台风的袭击。

风电场抗台风应急管理模式如下：

成 立固定的抗台风应急小组，以组织协调风电场抗台风工作，小组成员分工明确，并且加强宣传和教育、定时预报、定期进行应急演练等在进入台风季节前重新校准机组对北值；进行机舱柜和塔基柜内24VDC UPS和电池性能测试，确保断电后电池续航30min以上，如低于30min立即更换；完成叶片桨叶对零校准；变桨系统电池顺桨测试；变桨电机刹车力矩检查；进行一次台风模式操作模式；如更新主控程序，需重新测试台风模式，确认机组台风模式正常。

在台风来临前召开应急小组抗台会议，深入讨论可能的紧急事故并制定相应元，进行演练；台风登陆后每隔半小时进行汇报；台风过后两小时内持续汇报风电场及各机组情况；若遇到紧急情况，马上汇报给相关部门高层领导并启动应急预案。

4 结论

本文通过对台风特征以及海上风电机组的叶片、塔筒以及控制策略的分析，根据海上风电机组抗台风的特殊要求， 提出了优化了叶片、塔筒的设计，引入海上风电抗台风控制策略运行模式，为有效防止台风机组的破坏提供参考。海上风电抗台风的问题解决还需要不断探索，寻找更适合我国沿海特殊条件的设计和控制措施，以确保我国海上风电的安全、可靠、快速发展。

参考文献：

[1] 陈俊生.海上风力发电机组抗台风分析[J].广东科技，2019 ：72-75

[2] 贺广零,田景奎，常德生.海上风力发电机组抗台风概念设计[J].电力建设，2013 ：11-17

[3] 张秀芝,闫俊岳,杨校生.台风对我国风电开发的影响和对策[M].北京：气象出版社，2010 ：14-48.

[4] 吴金城,张容焱,张秀芝.海上风电机的抗台风设计[J].中国工程科学，2010 ，12（11）：25-31.

[5] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：

林玮（1989），男，浙江温州，工程师