大型海上漂浮式风电机组建模与减载控制

尹海峰，秦斌

湖南工业大学，湖南株洲，412007

0 引言

国家发改委能源研究所在2011年发布的《中国风电发展路线图2050》[1]显示，到2030年、2050年，中国风电装机容量将占电源结构的15%和26%。近海风电在2021年底退补政策的影响下，其装机容量得到了迅猛发展，目前已接近饱和。而远海风电技术的发展虽然才刚刚起步，但是在风能质量、可利用风场面积上具有很大优势，是未来深海风电发展的重要方向。影响海上浮动式风电机组运行特性与载荷特性的关键因素是风电机组的空气动力学特性、波浪动力学特性与结构动力学特性以及风场的动态特性等系统特性。Openfast是美国国家可再生能源实验室（NREL）设计的整机载荷计算软件，得到了GL等认证机构认可，NREL和麻省理工学院通过OC4项目，在OpenFast平台中对漂浮式风电机组进行了动力学理论建模，论文通过Openfast与Matlab/simulink联合仿真，对5MW半潜式海上风电机组各子系统进行建模。

AQUINO等[2]提出一种鲁棒控制策略，经过实验验证，该控制策略能明显降低平台的振荡；戴巨川等[3]通过研究三柱式漂浮平台及其与风机的动态耦合运动，在实物研究的基础上提出了平台载荷及运动分析模型。鲁效平等[4]基于陆基风电机组的独立变桨距控制策略，提出了专家PID控制器，经实验表明该策略能有效减少平台的纵摇载荷。

论文中模型的控制系统采用独立变桨控制，虽然国内外对统一变桨距技术研究比较成熟，但是由于各叶片受风的不均匀性，采用独立变桨控制可以对风轮各桨叶的桨距角进行独立调节，在保证输出功率稳定的同时降低作用在叶片上的不平衡载荷，并提高风机的工作效率。

1 漂浮式海上风力发电机子系统建模

海上风电机组基本原理是把风能转化为机械能，由多场耦合而成，与陆基风组相比，内部需要额外考虑漂浮平台的运动和锚链的运动，外部还需要考虑深海入流风、海上波浪情况和冰载荷的影响，各子系统关联结构图如图1所示。

1.1 气动系统

风轮捕获功率为：

空气动力学转矩为：

其中，ρ为空气密度，R为叶片半径，V为迎面风风速，Ta为空气动力转矩，Cp(λ,β)为风能利用系数，λ为叶尖速比，ωt为风机转子转速。

风能利用系数Cp(λ,β)可用下式所示：

1.2 发电机系统

论文采用发电机模型为双馈感应发电机，在d-q轴坐标系下建立电磁转矩方程：

式中，Te为发电机的电磁转矩；p为发电机极对数；Lm为定子、转子绕组的互感；iSq、iRd、iRq、iSd分别为转子绕组与定子绕组在q轴和d轴上的电流分量。

1.3 变桨系统模型

目前大型风电机组主要采用电-液伺服系统，在闭环控制系统中，变桨机构可用一阶动力学方程近似表示：

式中，τ为时间常数，β是实际桨距角，dβ是参考桨距角。

风机实际运行时，为了保证功率的稳定运行以及降低疲劳载荷，一般将最大变桨速率限制在±8°/s，并且变化幅度一般在0~30°之间。

风电机组往往根据风速大小分为三个运行阶段，即低风速阶段、过渡阶段和高风速阶段。

当低于额定风速时，风力发电机组主要通过最大功率追踪尽可能多地输出功率。当高于额定风速时，处于高风速阶段，此时需要通过变桨控制改变叶片攻角以降低输出功率，NREL-5MW风电机组的额定风速是11.4m/s，考虑到深海处风速较大，普遍大于风机额定风速，因此论文主要研究高风速阶段的变桨距控制。

1.3.1 统一变桨距控制

统一变桨距控制即在接收到变桨指令后，通过变桨距执行器使三个桨叶旋转同样的角度。如图2所示。但这种控制方式忽略了风剪切效应和塔影效应产生的不平衡载荷的影响，将会降低叶片的使用寿命。

1.3.2 独立变桨据控制

独立变桨距控制能够对转轮中的各个桨叶的桨距角进行单独控制，较好地解决了不平衡载荷使各叶片受力不均匀的问题，因此能有效地提高风电机组的稳定性以及可靠性。论文采用基于方位角权系数的独立变桨距控制策略，相关控制原理如图3所示。

基于风场模型，每个桨叶受到的平均风速[5]为

式中，R为叶片半径，H0为轮毂中心高度，θ为叶片的方位角，v0为风轮中心的风速，i=1、2、3，第i个桨叶得到方位角权系数公式[5]如下：

风力机正常运行的过程中，风轮叶片周期性地扫掠，分段权系数独立变桨控制策略可以根据风轮叶片旋转到不同的位置，选用不同的权系数分配模型，产生相应的桨距角，从而达到减小风轮叶片的振动引起的不平衡载荷的目的。

1.4 风速模型

论文中所需要的风文件由前处理软件TurbSim生成，TurbSim是一个全场的、随机的三维湍流风仿真软件，优势是能根据桨叶半径、轮毂高度、平均风速等参数的设置，生成所需要的随时间和空间变化的三维湍流风速场。仿真采用平均风速为18m/s的三维湍流风，其风速大小主要取决于X轴上的分量，如图4所示。

2 漂浮式风力机系统动力学模型

论文研究的对象为5MW的海上漂浮式风电机组，在美国国家再生能源实验室提供的半潜式海上风力发电机的基础上，在主输入文件中设置相关参数，建立了5MW变速变桨风电机组的风速模型、气动模型以及发电机模型等。机组的主要参数[6]如表1所示。

表1 风机主要参数

Simulink能够以一个S函数的模块来链接用户自定义的Fortran程序，通过使用内嵌于S函数中的OpenFast运动方程，与MATLAB的标准通道子程序进行链接。图5即为OpenFast非线性风机模块。

Paraview是后处理软件，将上述模型数据实时导入Paraview中，能显示运行中的半潜式风电机组模型，如图6所示。

3 仿真结果与分析

采用基于方位角权系数分配的独立变桨距策略进行控制，得到的叶轮功率、叶片桨距角、发电机转矩、叶根载荷、波浪高程、浮式平台位移结果如图7~12所示。

从图中可以看出，浮式风机平台受到海浪和风况的影响较大，采用独立变桨距控制策略，能够稳定输出功率，并且从图10可以看出，在独立变桨距条件下的叶根载荷波动比统一变桨距小，有效地降低了载荷。

4 结语

论文以5MW半潜式漂浮式海上风电机组为背景，建立海上风电系统动态模型，并在Matlab/Simulink中搭建独立变桨距控制系统等子系统模型，与Openfast中的OC4项目进行联合仿真。较好地模拟了漂浮式风电机组运行中的各子系统的耦合情况和载荷情况，仿真结果验证了该模型的准确性，并通过独立变桨距与统一变桨距控制的对比试验，验证了独立变桨距控制在减载方面的优越性。