关键词：海上风电机组；抗台；策略；偏航
1 引言
全球风电发展迅速，海上风电已成为风电发展的重要领域，也是近年来新兴的海上开发利用产业。海上风电具有资源丰富、风能资源稳定、发电利用小时数高、不占用土地等特点，且一般靠近传统电力负荷中心，便于电网消纳；另一方面，也面临台风、盐雾、浮冰等复杂的自然条件，对海上风电机组技术要求更高，因此海上风电场建设难度更大、成本更高、建设环境更复杂。其中，台风是海上风电机组设计首要考虑的安全因素，抗台策略的对保障大容量海上风电机组的安全至关重要。
2 抗台设计要求
为适应不同风况，按照风速和湍流参数划分了风力发电机组等级。根据《风力发电机组设计要求》（GB/T 18451.1—2012/IEC 61400-1：2005）规定，风力发电机组I级要求为10m平均风速50m/s。一般而言，大容量海上风电机组按照I类风机设计标准，要求机组在不同方向来风时，机组各部件的结构都能满足强度要求，也即任意角度能够在极大风速下生存。10分钟平均不超过50m/s、3秒瞬时风速不超过70m/s的情况下，应能保证风电机组整体安全。对于超过机组的
设计风速时，机组的损坏往往难以避免，甚至会形成大面积损失。例如：2006年8月的“桑美”台风造成了浙江某风电场大量设备损坏，损失超过6000万元。
3 抗台策略
具体风电机组在台风期间的策略，有以下两个方面：
3.1 对风选择
根据图1的BLADE仿真情况，风机与风向成90°夹角时，机组载荷最大；风机与风向成0°夹角时，即风机为上风向时，机组载荷次之；风机与风向成180°夹角时，即风机为下风向时，机组载荷最小。[1]
图1 风机载荷仿真情况
风电机组在实际运行过程中，不同风机厂家采取的对风策略略有不同。有的风机厂家在风机台风模式激活后，按照载荷最小原则，采取下风向对风，风机由运行状态的0°偏航至180°，但是部分厂家经载荷校验后采取保持上风向对风的策略。二者策略不同，前者台风期间安全性更高，即使叶片折断也不会引起塔架直接受损，但在偏航过程中会经历载荷最大的90°时刻，危险性较高，故其偏航时间点需尽量提前；后者可以尽量减少偏航动作，抗台策略更为积极，也为后续的暴风穿越功能提供了可能。
3.2 暴风穿越功能
风电机组台风期间切出采用的一般模式为10min平均风速超过25m/s，或3s平均风速超过30m/s，10min平均风速低于20m/s时，机组切入运行。鉴于大部分台风登陆期间，风速快速变化，变化幅度较大，在25m/s-40m/s风速段经常性出现往复，为充分利用该风速段的风能，提高资源利用效率，业内部分机组采用“暴风穿越”功能。暴风穿越模式主要为了风速在40m/s以内时，机组能够可靠运行，提高发电量。具体而言，“暴风模式”功能激活后，风电机组采用大风降功率运行模式，10min平均风速超过门槛值时开始降低功率运行，直到10min平均风速超过上限或瞬时风速超过极限风速时机组才停机。暴风穿越功能可以保障机组更加可靠稳定，避免了台风期间因风速变化剧烈导致机组频繁启停。福建某风电场2018年7月 “玛莉亚”台风过境时，某具备暴风穿越功能的机组全程稳定运行，其他不具备此功能的机组均出现多次切出或故障停机，切出最少的机组也切出、切入也达2个回合。
4 系统失电策略
台风期间，电网故障可能性大增，系统失电的可能性较大。对海上风电场而言，场内集电线路海缆和送出线路都有跳闸失电的可能。随着我国海上风电机组技术的进步和成熟，大容量海上风电机组一般配备有独立的后备电源，有的采用蓄电池型式，有的采用柴油发电机型式，一般应保证能连续偏航6小时。对于没有后备电源的机组，根据偏航原理不同，部分机组在系统失电后，偏航电机刹车抱闸，期间机组依靠自身能力抵抗台风，对于该种机型，须在台风来临前手动将机头偏航至来风方向，提前解缆，使偏航角差最小，保证机组承受载荷最小；部分机组在系统失电后为自由偏航，对于该种机型，须在台风来临前手动提前解缆，
使偏航角差最小，即使台风正面登陆，风向变化180°，也可保证机组扭缆角度最小，不超过极限值。
对于未配置后备电源的海上风电机组，为应对极端台风情况，应开展偏航系统备用电源改造。福建某风电场海上风电机组备用电源技改采用锂电池储能系统，储能系统单独成柜，与储能双向逆变器一起安装在塔基一层平台，整体采用户外柜方式户外安装备用电源系统包括储能电池系统、储能变流器、控制系统、配电设备、消防系统、通风散热系统等，并入风机控制系统400V电源母线。该后备电源主要保障提供台风期间电网失电后的偏航动力和通信电源。系统结构如下图2所示。
图2 后备电源系统结构图
5 结语
大容量海上风电机组的抗台策略对于机组的安全稳定运行直观重要，首先应在设计阶段适度提高台风设防标准。对于已运行的风电场，应持续优化风机抗台策略，针对不同性能的机组，制定有效的抗台技术措施，如研究采取变桨机构增设机械锁定销、变桨轴承增加足够强度的限位挡块、带阻尼的偏航功能、提前停机并人工机械锁定等措施，确保风机在遭遇超设计风速时不发生超速飞车倒塌和叶片损坏事故。
参考文献：
[1]杨校生．风力发电技术与风电场工程[M].北京：化学工业出版社,2012.
论文作者:汤筱茅
论文发表刊物:《中国电业》2019年11期
论文发表时间:2019/12/2
标签：机组论文; 风速论文; 台风论文; 风电论文; 海上论文; 风机论文; 策略论文; 《中国电业》2019年11期论文;