兆瓦级风电机组紧急停机过程载荷分析及优化

　　（二）气动特性
　　GHBladed是采用经典的叶素－动量理论并结合一定的修正方法进行气动载荷计算的。从原理可知，风轮的气动参数的Cp、Ct、Cm主要与桨距角、叶尖速比有关。 　　而通过GHBladed中PerformanceCoefficients功能，可以得到不同桨距角下的Cp、Ct、Cm与λ的曲线。可将其绘制成等高线图，如图6。 　　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）。
　　二、控制桨距角β
　　控制逻辑：在适当时刻减小顺桨速度。
　　原理：在适当时刻减小顺桨速度，即减小气动刹车，防止风轮转速的迅速下降。
　　仿真设置：在原始的仿真中，第10s时加入变桨速度故障，故障值为2deg/s。
　　紧急停机刚开始需要快速顺桨，以减小正向的载荷，而当顺桨一定角度后须减小顺桨速度以减小冲击载荷。（此处以固定时间点加入慢速顺桨为例，来说明优化效果。但实际应用还需要更为详细的控制逻辑，如：结合发电机加速度来进行顺桨速度的闭环控制。）
　　三、优化结果