由于DLC1.5工况是采用NWP(正常风廓线模型),因此稳态计算中获得的风轮气动参数可以近似等于DLC1.5仿真中的气动参数。
根据DLC1.5仿真的风速、风轮转速、桨距角结果就可以近似反查到机组运行过程中风轮的推力系数Ct,如图6(红色曲线为Ct在等高线图中的运行轨迹)、图7(紧急停机过程中的Ct曲线)。
可以看出,紧急停机过程中,由于变频器断开机组负载迅速减小,风轮转速快速上升,导致叶尖速比增加,同时快速顺桨,导致桨距角增加过快,这使得Ct系数快速减小为零并继续下降接近甚至超过正向的Ct最大值,从而机组承受到很大的反向推力。
因此,发电机负载迅速降低为0、桨距角的过快增加是导致冲击载荷过大的原因。
控制优化与载荷比较
当GL2010规范中DLC1.5工况,塔筒倾覆弯矩、叶片挥舞弯矩的冲击载荷(或叶片摆振、扭转方向的冲击载荷)大于设计极限时,传统的做法是调节紧急停机时的顺桨速度,来减小冲击载荷。但当紧急停机的顺桨速度变慢时,又会导致叶片、塔筒正方向载荷的增加,同时风轮转速也会大幅上升带来其他隐性问题。
因此简单调节紧急停机中顺桨速度的办法,只能起到平衡正向载荷和负向载荷的作用,同时减小顺桨速度会带来更高极限风轮转速,并没有从根本上解决问题。
按前章节分析可知,要减小冲击载荷理想的方式就是限制风轮转速的下降速率(控制风轮释放能量的速度);或控制叶尖速比λ和桨距角β满足图6一定的等高线关系。
据此,较为理想的控制方式是:在紧急停机的前几秒时间,结合发电机的加速度信号,通过调节桨距角,进行闭环的风轮减速控制,维持风轮的减速度的速率在一定范围以内(现国内大量的变桨系统已经可以实现,在紧急停机的前几秒依然采用主控顺桨指令的功能);或限制风轮转速,减小最大叶尖速比,以减小冲击载荷。
但由于本文的目的不在于控制器设计,因此本文以下两种简化方式进行仿真对比,以表明优化的控制效果。
一、控制尖速比λ
控制逻辑:紧急停机时使发电机转矩维持2s。(该控制方法参照国外风电整机设计公司控制策略)。
原理:防止风轮转速的迅速增加(控制最大叶尖速比λ),从而减小冲击载荷。
仿真设置:在原始的仿真中,第9s时加入刹车(刹车扭矩等于发电机额定扭矩,刹车扭矩在2s内从额定扭矩线性下降到0)。