风力发电机组分段塔架加阻技术研究

时间：2022-10-18 23:40:20

关键字：塔架加阻分段加阻加阻缓冲

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[导读]摘要:风力发电机组变奖环控制器的塔架加阻技术,可以抑制机组塔架振荡,但会造成部分工况极限载荷增大。塔架振荡主要发生在额定风速附近,对于高风速工况影响较小,鉴于此,提出了一种变奖环控制器分段塔架加阻的方法,并设计加阻缓冲,使阻尼平缓过渡。仿真验证了高风速工况去除塔架滤波加阻的振荡情况和载荷情况,测试结果表明,分段塔架加阻方法对风力发电机组极限载荷降载效果明显,并具有通用性。

引言

随着我国碳达峰、碳中和方针的制定,电力行业积极响应,风电行业迅速发展,风力发电等清洁能源将逐步代替传统的火力发电。要提高风力发电机组发电量,增加叶片长度和塔架高度是较好的技术手段,但塔架振荡带来的风险也随之加大。采用塔架加阻技术,可以有效降低振荡带来的危险性,但同时机组的极限载荷也会增大,导致风力发电机组设计难度增大,设计成本增加。

为解决这一两难问题,本文提出了一种分段塔架加阻的方法,在额定风速附近保持加阻不变,风速越高,加阻效果越小,在切出风速附近去除塔架加阻。此方法能有效降低DLC1.4大风工况塔底合弯矩和轮毂合弯矩的极限载荷,起到降本增效的作用。

1塔架加阻随风速变化作用分析

1.1塔架频率滤波器

塔架频率是风机塔架的固有频率,如果塔架频率与机组的其他模态频率接近,如叶轮的转动频率,就会产生共振,进而影响风力发电机组的安全性。为避免振荡的发生,目前应用最多的方法是在变奖环控制器中加入塔架频率滤波器。

塔架频率滤波器采用陷波滤波器,可以在塔架频率点迅速衰减输入信号,从而达到阻碍塔架频率信号通过的作用,其传递函数如下:

对于塔架频率滤波器来说,w1=w2=塔架固有频率,默认阻尼比ζ1=0.1,ζ2=0.3。

1.2额定风速附近塔架滤波器的影响

在额定风速附近,不加塔架滤波器的阶跃响应曲线如图1所示。

额定风速附近不加塔架滤波器,阶跃响应曲线振荡明显,振荡频率就是塔架频率,调节时间长,100s后才能达到稳定状态,影响机组稳定性。

在额定风速附近,加塔架滤波器的阶跃响应曲线如图2所示。

额定风速附近加塔架滤波器,振荡频率被滤波器过滤掉,阶跃响应曲线平稳,调节时间较短,45s即可达到稳定状态。

对比得出,在额定风速附近,塔架滤波器对于机组的稳定性起到关键作用,不可去除。

1.3切出风速附近塔架滤波器的影响

在切出风速附近,不加塔架滤波器的阶跃响应曲线如图3所示。

切出风速附近不加塔架滤波器,阶跃响应曲线仍然平稳,调节时间很短,25s即可达到稳定状态。由此可见,此时塔架频率对机组稳定性基本没有影响,在切出风速附近可以去除塔架滤波器,因此分段加阻具备可行性。

2分段加阻缓冲设计

分段加阻是指在塔架滤波器影响较大的额定风速附近保留塔架加阻,在塔架滤波器影响较小的切出风速附近去除塔架加阻。如果直接按风速或奖距角判断是否开启塔架滤波器,切换时的突变可能会造成振荡,而且临界值附近的频繁切换会产生更大的载荷。因此,引入加阻缓冲的概念,增加变量DynamicFilterscheduleEnabled,为动态塔架滤波器查表使能变量,增加查表DynamicFilterschedule,如表1所示。

DynamicFilterschedule包含奖距角和塔架滤波器加阻限值两个变量,通过查当前奖距角的值,输出塔架滤波器加阻限值,幅度在0~1倍,限值l时维持初始塔架滤波器阻尼不变,限值减小,塔架滤波器阻尼也按比例减小。如奖距角为0.0359rad或以下时,按初始塔架滤波器阻尼ζl=0.l,ζ2=0.3设置:奖距角为0.0608rad时,阻尼为ζl=0.08,ζ2=0.24:奖距角为0.l33lrad或以上时,阻尼ζl=ζ2=0,塔架加阻去除。

用奖距角定位加阻限值要优于用风速定位:首先,风速测量准确性不如奖距角的测量,且有一定延迟:其次,变奖环的PID控制器参数也使用奖距角查表,与PID查表保持一致便于PID控制器调参与分段加阻的统一。

加入分段加阻缓冲后,塔架加阻的切换更平缓,不会激起振荡,而且加阻限值可以根据不同机组设置适宜的数值,适用性更广。

3分段塔架加阻功能验证

塔架加阻对机组极限载荷影响较大,DLC1.4工况轮毂和塔架的极限载荷一般增加8%~15%,除塔架加阻本身带来的影响外,加阻后变奖环PID控制器参数的相应调整也会增大极限载荷。

以某机型作为验证实例,该机型DLC1.4ca-2工况旋转轮毂坐标系合弯矩Myz和塔底合弯矩Mxy有降载需求,在其他控制策略不变的情况下,仅采用分段塔架加阻方法降载。

塔架频率wl=w2=1.18,阻尼ζl=0.1,ζ2=0.3,调整前变奖环PID控制器参数查表如表2所示。