兆瓦級風電機組緊急停機過程載荷分析及優化

　　兆瓦級風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，但此邏輯將導致葉片根部以及塔筒底部承受巨大的載荷沖擊，在GL2010規范的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常出現極限載荷，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種優化的停機方案，通過仿真后與原載荷進行了對比。
　　數據分析一、沖擊載荷
　　按GL2010規范要求，DLC1.5工況需要考慮風電機組從切入風速到切出風速范圍內，遭遇一年一遇的極端陣風(EOG1)，同時要求在陣風的開始時刻、陣風的最低風速時刻、陣風的最高風速時刻以及陣風加速度最大時發生電網掉電。通常2.0MW機組在1.2倍額定風速附近，并在陣風加速度最大或陣風風速最大時發生電網掉電最容易產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工況的仿真結果（橫軸為時間單位s，縱軸為風速m/s或載荷）：在1.2倍的額定風速附近遭遇一年一遇的極端陣風，同時在陣風加速度最大（9s）時發生電網掉電。 　　由圖2、圖3可見，葉根與塔底的載荷首先隨風速增加而增加；到第9s時電網掉電，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。
　　據仿真經驗，電網掉電后，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、沖擊載荷產生的原因分析
　?。ㄒ唬┠芰總鬟f 　　由致動盤理論可以知道，正常發電過程中致動盤吸收風能使尾流速度降低，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輪轉速降低，同時風獲得能量，使得尾流速度增加，此時致動盤使尾流的風速增加，因此致動盤將承受相反的推力。 　　容易知道，單位時間內致動盤所釋放的能量越多，風獲得的能量就越多，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生在風輪減速速率最快的時刻?？梢酝茰y，沖擊載荷是由風輪釋放能量過快（主軸轉速下降過快）引起。若通過某種手段限制風輪的加速度范圍，將會改善葉跟和塔底的沖擊載荷。