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兆瓦級風(fēng)電機組緊急停機過程載荷分析及優(yōu)化

2015-11-13 來源:《風(fēng)能》 瀏覽數(shù):11683

兆瓦級風(fēng)電機組在緊急停機時,通常會采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的停機邏輯,但此邏輯將導(dǎo)致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊,在GL2010規(guī)范的DLC1.5、DLC1.6工況中葉根揮舞方向彎矩、塔底前后方向彎矩就經(jīng)常出現(xiàn)極限載荷,葉片越長該問題尤為突出。

  兆瓦級風(fēng)電機組在緊急停機時,通常會采取直接斷開變頻器、并迅速順槳的停機邏輯,但此邏輯將導(dǎo)致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊,在GL2010規(guī)范的DLC1.5、DLC1.6工況中葉根揮舞方向彎矩、塔底前后方向彎矩就經(jīng)常出現(xiàn)極限載荷,葉片越長該問題尤為突出。
  本文采用海裝某2.0MW機組模型,以GL2010規(guī)范的DLC1.5工況為例,用GHBladed軟件進行模擬仿真,對停機過程中的載荷進行分析,并提出了2種優(yōu)化的停機方案,通過仿真后與原載荷進行了對比。
  數(shù)據(jù)分析一、沖擊載荷
  按GL2010規(guī)范要求,DLC1.5工況需要考慮風(fēng)電機組從切入風(fēng)速到切出風(fēng)速范圍內(nèi),遭遇一年一遇的極端陣風(fēng)(EOG1),同時要求在陣風(fēng)的開始時刻、陣風(fēng)的最低風(fēng)速時刻、陣風(fēng)的最高風(fēng)速時刻以及陣風(fēng)加速度最大時發(fā)生電網(wǎng)掉電。通常2.0MW機組在1.2倍額定風(fēng)速附近,并在陣風(fēng)加速度最大或陣風(fēng)風(fēng)速最大時發(fā)生電網(wǎng)掉電最容易產(chǎn)生葉片揮舞彎矩和塔底傾覆彎矩的極值,因此本文以該工況進行分析。
  如圖1、圖2、圖3所示,為一DLC1.5工況的仿真結(jié)果(橫軸為時間單位s,縱軸為風(fēng)速m/s或載荷):在1.2倍的額定風(fēng)速附近遭遇一年一遇的極端陣風(fēng),同時在陣風(fēng)加速度最大(9s)時發(fā)生電網(wǎng)掉電。
  由圖2、圖3可見,葉根與塔底的載荷首先隨風(fēng)速增加而增加;到第9s時電網(wǎng)掉電,機組開始緊急停機;葉跟、塔底載荷到達極大值然后迅速下降為0,并反向增至極小值。
  塔底傾覆彎矩或葉片揮舞彎矩極小值有時甚至比極大值還大。本文稱此極小值為沖擊載荷。
  據(jù)仿真經(jīng)驗,電網(wǎng)掉電后,若葉片的順槳速度越快或葉片越長,該沖擊載荷將會越大。
  二、沖擊載荷產(chǎn)生的原因分析
  (一)能量傳遞
  由致動盤理論可以知道,正常發(fā)電過程中致動盤吸收風(fēng)能使尾流速度降低,如圖4所示,同時由動量定理可知,致動盤將尾流風(fēng)速減小,因此致動盤將承受氣動推力;而緊急停機過程中則相反,致動盤將釋放出能量使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速降低,同時風(fēng)獲得能量,使得尾流速度增加,此時致動盤使尾流的風(fēng)速增加,因此致動盤將承受相反的推力。
  容易知道,單位時間內(nèi)致動盤所釋放的能量越多,風(fēng)獲得的能量就越多,由動量定理致動盤所受向前的推力也越大。如圖5所示為歸一化處理后的塔底傾覆彎矩與風(fēng)輪加速度的曲線。
  可以明顯的看出塔底傾覆彎矩的最小值發(fā)生在風(fēng)輪減速速率最快的時刻。可以推測,沖擊載荷是由風(fēng)輪釋放能量過快(主軸轉(zhuǎn)速下降過快)引起。若通過某種手段限制風(fēng)輪的加速度范圍,將會改善葉跟和塔底的沖擊載荷。
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閱讀下文 >> 風(fēng)電機組的次同步控制相互作用研究綜述

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