兆瓦级风电机组紧急停机过程载荷分析及优化

　　兆瓦级风电机组在紧急停机时，通常会采取直接断开变频器、并迅速顺桨的停机逻辑，但此逻辑将导致叶片根部以及塔筒底部承受巨大的载荷冲击，在GL2010规范的DLC1.5、DLC1.6工况中叶根挥舞方向弯矩、塔底前后方向弯矩就经常出现极限载荷，叶片越长该问题尤为突出。
　　本文采用海装某2.0MW机组模型，以GL2010规范的DLC1.5工况为例，用GHBladed软件进行模拟仿真，对停机过程中的载荷进行分析，并提出了2种优化的停机方案，通过仿真后与原载荷进行了对比。
　　数据分析一、冲击载荷
　　按GL2010规范要求，DLC1.5工况需要考虑风电机组从切入风速到切出风速范围内，遭遇一年一遇的极端阵风(EOG1)，同时要求在阵风的开始时刻、阵风的最低风速时刻、阵风的最高风速时刻以及阵风加速度最大时发生电网掉电。通常2.0MW机组在1.2倍额定风速附近，并在阵风加速度最大或阵风风速最大时发生电网掉电最容易产生叶片挥舞弯矩和塔底倾覆弯矩的极值，因此本文以该工况进行分析。 　　如图1、图2、图3所示，为一DLC1.5工况的仿真结果（横轴为时间单位s，纵轴为风速m/s或载荷）：在1.2倍的额定风速附近遭遇一年一遇的极端阵风，同时在阵风加速度最大（9s）时发生电网掉电。 　　由图2、图3可见，叶根与塔底的载荷首先随风速增加而增加；到第9s时电网掉电，机组开始紧急停机；叶跟、塔底载荷到达极大值然后迅速下降为0，并反向增至极小值。
　　塔底倾覆弯矩或叶片挥舞弯矩极小值有时甚至比极大值还大。本文称此极小值为冲击载荷。
　　据仿真经验，电网掉电后，若叶片的顺桨速度越快或叶片越长，该冲击载荷将会越大。
　　二、冲击载荷产生的原因分析
　　（一）能量传递 　　由致动盘理论可以知道，正常发电过程中致动盘吸收风能使尾流速度降低，如图4所示，同时由动量定理可知，致动盘将尾流风速减小，因此致动盘将承受气动推力；而紧急停机过程中则相反，致动盘将释放出能量使风轮转速降低，同时风获得能量，使得尾流速度增加，此时致动盘使尾流的风速增加，因此致动盘将承受相反的推力。 　　容易知道，单位时间内致动盘所释放的能量越多，风获得的能量就越多，由动量定理致动盘所受向前的推力也越大。如图5所示为归一化处理后的塔底倾覆弯矩与风轮加速度的曲线。
　　可以明显的看出塔底倾覆弯矩的最小值发生在风轮减速速率最快的时刻。可以推测，冲击载荷是由风轮释放能量过快（主轴转速下降过快）引起。若通过某种手段限制风轮的加速度范围，将会改善叶跟和塔底的冲击载荷。