（北京金风科创风电设备有限公司 北京 100176）
摘要：随着风资源的不断深入开发，高塔架作为探索高空优质风资源的主要手段日益受到市场的关注。钢制柔性塔架作为高塔架中的一员，具备高塔架的高发电量的优势，同时也继承了传统塔架的生产、运输及吊装模式。但是，由于柔性塔架塔架阻尼低，且塔架一阶频率出现在风机运行转速范围内，因此在无控制保护的情况下会存在一定的风险。由此开发的共振转速规避技术以及塔架加阻技术，通过测试数据的验证，有效的降低的机组的振动，并防止了共振现象的发生，保证了机组的安全稳定运行。
关键词：高塔架；柔性塔架；发电量；控制策略；共振；振动；塔架加阻
背景
近年来，发达国家在风力发电行业取得了显著的成就，超高塔架应用技术得到大幅度提升。相比于风资源情况较为良好的国际市场（风电场地势平坦，湍流小，无复杂地形地貌），中国的风资源分布较为分散。但随着风力发电技术的不断进步，以及目前市场对于新能源电力的需求的增加，目前对于风电等清洁能源认知的不足，导致我国风电上网比例远远落后其他国家，外送通道的不完善，造成弃风限电逐年增加，使得目前的风电场在生产中无法发挥其正常效能，而造成大量的风能损失。
随着风电技术的不断进步发展的需要，给低风速风电的发展带来新的契机，使得高轮毂塔架技术的研发成为一个首要条件，这对低风速风电场的风能资源评估，项目开发设计，以及风机配套部件的经济性提出了更高的要求。低风速风电场基本处于中东部和泛南部区域，接近用电负荷中心，从弃风限电角度考虑，要远远优于风能资源较好的三北地区，尤其是河南、江苏、山东等平原地区平均风速较小，受地表粗糙度和大气稳定度等因素影响，区域内风切变较大，这类风电场适宜高轮毂高度的风电机组开发。无论是从开发清洁能源市场角度，还是从提高单个风电场的最终效益出发，超高塔架的应用技术研究均具有极其重要的意义。
1 实验方法与材料
1.1 GH Bladed
GH Bladed软件是一款由英国Garrad Hassan and Partners Limited公司（以下简称GH公司）开发的用于风电机组设计的专业软件。它适用于路上和海上的多种尺寸和型式的水平轴风机，进行设计和认证所需的性能和载荷计算，软件本身的可靠性已通过GL（德国劳埃船级社）认证。
软件具有基于Windows的绘图用户界面和在线帮助功能，操作方便，同时风机设计计算采用工业标准。GH Bladed支持风载荷和波浪载荷组合计算，采用全空气弹性和水弹性模型并考虑地震励磁的影响。GH Bladed具有多个功能模块，包括外壳稳定性分析、动态负载模拟、负载与电能获取分析、批处理和报告自动生成、电网交互以及控制设计的线性化模型。
本文中将采用Bladed 4.3/4.6 进行风力发电机组运行情况仿真分析
1.2SIMPACK
SIMPACK软件是德国INTEC Gmbh公司（于2009年正式更名为SIMPACK AG）开发的针对机械/机电系统运动学/动力学仿真分析的多体动力学分析软件包。它以多体系统计算动力学（Computational Dynamics of Multibody Systems）为基础，包含多个专业模块和专业领域的虚拟样机开发系统软件。
本文中采用SIMPACK8903b进行风力发电机组在运行过程中的频率特性进行仿真分析
1.3Matlab
MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C，FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等软件的优点，使MATLAB成为一个强大的数学软件。
本文中采用Matlab对线性化后的风力发电机组模型进行频域分析。
1.4 风力发电机组数据
本文中仿真及现场数据来源均为真实机型平台配置柔性钢制塔架的风力发电机组模型仿真分析及现场实测。
2 柔性塔架技术特点
风力发电机组叶轮转动一周的频率为叶轮的一次转频，风电行业内通常称为风机的1P频率（以下简称1P）。此外，在考虑性能，载荷，风轮成本等诸多因素的情况下，现代风力发电机组通常采用三叶片设计，因此，三只叶片依次转动一周的频率，被称为叶轮的三次转频，即风机的3P频率（以下简称3P）。对于传统的钢制塔架或钢混塔架而言，风机的运行转速，需要避免1P，3P与塔架固有一阶频率（以下简称塔架一阶）在风机运行转速范围内发生交叉，从而避免产生共振的风险。运行转速的定义应符合：
其中，
随着塔架高度的升高，塔架频率不断降低，式（1）中所示的规则就不能完全适用。以某平台中某高塔架为例，经模态分析，其塔架频率等于0.146Hz，如果依然需要依照式（1）中所规定的规则规定风机的运行转速，则其额定转速需要小于等于7.3rpm（
取0.2），远远无法满足风机对性能的要求。如果在不改变规则的情况下保证风机性能，只能通过两种方法，一是增大叶轮直径，增加扫风面积，二就是增加塔架重量，提高塔架频率，而这两种方法都表现出极差的经济性。
因此，配置柔性塔架的风力发电机组，通过独特的控制策略，允许塔架一阶频率低于风机的额定转速，使得风机的运行转速范围上下限从软件制约中解放，直接受到硬件及环境的制约。由于转速允许存在波动，新的运行转速定义应符合：
其中，
图1 配置柔性塔架的风力发电机组运行转速范围示意图
如图1所示，在解除塔架频率的限制之后，风机的最小转速可以下探至机组发电机可以允许的最小转速。同时，由于塔架频率无需高于额定转速，使得塔架重量大幅减小。由于最小并网转速降低，切入风速也大幅降低，使得机组功率曲线延长，最终体现发电量提升。
综上，配置柔性塔架的风力发电机组具有如下技术特点：
1）塔架高，频率低，阻尼低，塔架重量轻；
2）转速不受传统1P，3P频率限制，充分利用发电机性能；
3）并网转速低，切入风速小，单机发电量高。
3 柔性塔架风险分析
由于柔性塔架独有的低频低阻特点，如果没有采取相应的预防措施，在运行期间可能会产生相应的风险。因此下面将着重对配置柔性塔架的风力发电机组运行期间主要的风险点进行分析评估。
3.1 塔架共振及振动问题
出于对风力发电机组经济性的考虑，在设计时，允许塔架一阶频率低于额定转速，因此在特定场景，特定风速下，转速会在塔架一阶频率处停留足够时间，从而引发共振，这时的转速称为一阶共振转速。
图2至图5表明了某机型平台配置柔塔在完全无控制保护的状态下进行扫频仿真测试的表现，其中图2中标明了风机所处环境风速增加过程，图5表明了不同风速下对应的转速。由图3可知，在没有相应控制保护策略的前提下，虽然由于机组设计时阻尼较为合理，并未引起剧烈共振，但仍在短时间内引起较大振动。因此，配置了柔性塔架的风力发电机组，必须要考虑在运行过程中避开相应的共振转速以避免可能的风险。
图2 风力发电机组（配置柔性塔架）无控制保护下
扫频风速范围（仿真时间30分钟）
图3 机舱在完全无控制保护状态下在
相应共振转速时塔架一阶频率处的振动
图4 机舱在完全无控制保护状态下在大风时
震动情况，耦合频率中塔架二阶比例约为30%
图5 本机型相应的风速-转速对应关系
图4中标明了柔塔机组在大风时的振动情况，此时的风机振动频率除了塔架二阶振动频率之外，同时耦合了大量其他部件的振动频率，较为复杂，无法定量定性分析。但从趋势上可以表明，运行过程中的振动问题，是进行柔性塔架机组控制策略设计时，应着重考虑的问题。
4 柔性塔架控制技术应用
针对柔性塔架在应用时可能会出现的风险，除了在相应的硬件设计上进行优化，配置柔塔的风力发电机组设计了相应的控制策略保护机制以确保的安全稳定运行。
4.1 共振转速规避技术
依据能量理论在工程上的应用，决定柔性塔架与共振转速处是否发生共振以及相应危害的三个要素分别为共振频率的停留时间，塔架相应频率的阻尼以及策动力（即风）的能量水平。首先，风的瞬时能量是在机组设计时无法干涉的外部变量。其次，在机组硬件设计过程完成后，塔架在共振频率处的阻尼的变化在极大程度上只收到场地基础刚度影响。因此，为了防止机组在穿越塔架一阶频率时发生共振，只有制定快速穿越共振转速的控制策略以减少转速在共振位置停留时间，从而避免共振。
4.1.1 控制原理
风机在满发前，通过控制发电机的电磁扭矩平衡叶片端的气动扭矩，从而使得叶轮的转速达到目标转速，属于SISO控制系统，即输入为转速信号，输出为扭矩信号，如图 4所示。
图6 扭矩控制回路图
通过设定目标转速和测量转速进行比较，得到转速偏差，通过PID控制得到发电机扭矩，进而控制发电机电磁扭矩，使得转速稳定在目标设定值。避转速控制策略为改变目标转速，通过调节扭矩的大小从而实现转速的快速变化。
图7 转速-扭矩控制曲线，其中：
图8 共振转速规避策略逻辑框图
图9 共振转速规避策略扭矩-转速变化示意图，
其中，
其中，
4.1.2 仿真验证
图 10所示为某机型配置柔性塔架的风力发电机组的Campbell图，从图中可以对机组的主要模态进行分析，并根据模态信息进行控制器的修改与设计。
图10 某机型平台配置柔性塔架的风力发电机组Campbell图
由图10可知，塔架水平一阶摆振的模态频率为0.142Hz，并且和叶轮的1P转频在设计转速范围内相交，因此需要设计塔架一阶频率处转速控制方案。塔架一阶对应的共振转速点为8.52rpm，对应的共振转速区间设置为为[8.1，8.9]。图 11中表明了转速穿越功能开启时对转速波动的影响。图12与13则表明了避转速功能开启时扭矩的变化情况。由上诉3图可知，避转速功能开启后，通过控制扭矩的方式，杜绝了机组运行转速在共振转速区内停留，从而避免了上节中所述激发共振的风险。
图11 避转速策略仿真转速关系图，其中红色为开启避转速功能后
图12 未开启避转速策略转速-扭矩关系图
图13 开启避转速策略转速-扭矩关系图
4.1.3 现场测试
图 14为某实际投产风电场相同机型的现场测试数据，其中，由于实际条件影响以及测量偏差，现场实际测试的塔架一阶频率与仿真略有不同，约为0.138Hz。依据实际共振频率，设定共振转速规避区间为[7.6，8.9]。图14中标明了机组的转速，运行模式及机舱加速度相关信号在共振风速区内的表现。从运行模式信号可以证明共振转速规避功能可以成功被机组执行。同时，可以明显的发现机组在共振风速附近运行时，没有发生上节中所示明显的振动加剧现象，机舱加速度始终保持平稳。
综上，共振转速规避功能，设定了合理的共振转速区，并在边界通过控制扭矩的方式使得机组运行转速能够以给定速率快速通过共振区，从而达到避免共振的目的。共振转速规避技术的实现，使得柔性塔架下探塔架频率的风险得以消除，并经过大量现场数据的验证，保证了配置柔性塔架的风力发电机组在全风速段的安全性能够与传统钢制塔架保持一致。
图14 共振转速规避策略现场测试说明
4.2 气动塔架加阻技术
4.2.1塔架加阻原理
气动塔架加阻，从根本上是使不同相位的能量波相互耦合，以达到衰减塔架振动能量的作用的功能。如图 15所示，A和B分别是相位相差180度的正弦波，其中，
若设C为A和B的叠加，则，
图15 能量波相位衰减原理
假设波A为塔架的摆动信号，波B为外界施加在塔架上的干扰信号，波C则就是这两个信号的耦合。塔架的摆动信号幅值为0.8，施加相位偏差180度且幅值为0.6的信号后，最终合成的塔架摆信号的幅值就将下降为0.2，从而达到降低了塔架摆动的效果。这就是塔架加阻技术。
4.2.2 塔架加阻的实施
在整机振动监测中，机舱X和Y方向的加速度是至关重要的两个量，从机舱的稳定程度间接反映了机组的运行状态。其中，机舱X方向通常指的是塔架fore-aft方向，即风吹来的方向，X方向的位移及受力对于叶片桨距角变化以及叶轮的旋转较为敏感；而机舱Y方向通常指的是塔架side-side方向，即叶轮/发电机旋转平面的方向，Y方向的位移及受力对于发电机扭矩的变化更加敏感。
上节中提到，在柔性塔架的设计中，由于塔架阻尼较小，会产生机舱震动幅度较大的风险。当风速较小时，由于风能较低，在有效的共振转速规避策略下，并不会引起塔架在X及Y方向较为明显的振动。而当风速高于额定风速时，由于风能提高，机组开始执行变桨动作以降低载荷。此时，塔架在面对风向的机舱X方向往往会存在较大摆动的可能。依据上节所述原理，此时需要通过在变桨中增加相关的干扰信号，从而达到降低可能的机舱震动摆幅的目的。
增加的变桨干扰信号的幅值与相位应该严格由塔架顶部，即机舱的摆动能量信号决定。在机组实际的测量过程中，机舱的摆动能量通常表现为机舱的加速度信号。由于机舱加速度信号中同时耦合了大量其他部件传递的振动信号，因此在进行塔架加阻之前，需要对机舱加速度信号进行滤波。信号变化的关系如式8所示，
其中，
图16中表明了塔架一阶振动信号与变桨速率信号的时域对比示意图。其中黑色曲线为塔顶一阶振动曲线（滤波后），红色曲线为初相位为30deg的正弦变桨速率，绿色曲线为初相位为0deg的正弦变桨速率。从中可以看出变桨速率曲线与塔顶一阶振动加速度曲线存在相位互补的特征，可以通过调整相位差使两个信号满足相位衰减条件。若变桨速率正弦信号与塔顶一阶前后振动曲线反相位，便可以得到较好的塔架减振效果。
图16 塔架一阶振动与变桨正弦速率的关系
整机变桨回路的逻辑关系图如图 17所示。风机变桨控制回路以发电机转速设定值为目标，通过检测单元反馈测量的转速信号，进行比较得到Speed error，通过转速偏差经过PID控制器，输出变桨速率信号pitch rate demand，此为变桨回路的主回路。由于风力发电机组通常对于变桨系统只监测位置信号，因此最后对变桨速率信号进行积分得到变桨位置信号。
图1 变桨控制回路逻辑关系图
图18 塔架加阻信号关系图
图 18中表明了塔架加阻功能的信号传递关系，通过采集机舱X方向的加速度信号，经过带通滤波器得到滤波后的机舱加速度信号，经过计算，得到需要补偿的变桨速度信号，最后叠加到正常变桨回路输出的变桨速率给定值，达到衰减塔架摆幅的效果，实现塔架加阻。
4.2.3 塔架加阻效果分析
以某配置140m柔性塔架的风机发电机组（塔架频率为0.142Hz）仿真模型为例进行加阻设计。在Bladed中，对整机模型进行线性化并输出线性化模型后，对整机进行频域分析。
图 19为加阻后与加阻前的机组变桨回路闭环bode图对比，从图中可以看出，加阻之后Tower 1st的能量得到很大的衰减，但是在Tower 1st右侧的1P及3P转频处能量有一定的提升，一般在设计针对柔性塔架的塔架加阻回路时需要控制1P和3P附近的能量增加，从而防止由于1P或3P处能量堆积所导致的不必要的额外变桨动作与其所带来的机组疲劳载荷增加。
图20至22表明了塔架加阻开启时，对机组转速，桨距角变化以及机舱x方向位移的影响。可以明显看出，开启塔架加阻后，各信号的振动收敛时间均大幅减少，机组在各个方面的稳定性表现都得到了明显的提升。
图19 某配置柔性塔架机组变桨回路闭环Bode图，
其中蓝色为塔架加阻功能开启
图20 塔架加阻阶跃响应对转速的影响，其中蓝色为塔架加阻功能开启
图21 塔架加阻阶跃响应对桨距角的影响，
其中蓝色为塔架加阻功能开启
图22 塔架加阻阶跃响应对机舱fore-aft方向的影响，
其中蓝色为塔架加阻功能开启
塔架及机舱的位移水平与塔架载荷水平息息相关，因此塔架加阻功能的开启同样可以在一定程度上降低塔架载荷。以IEC III标准下DLC1.4工况（图23）为例，风速和风向均发生较大突变，使得此工况常常成为机组设计时的约束工况之一。
图23 IEC III 标准下DLC1.4工况定义
图24至26中表明了该工况下，塔架加阻功能开启与未开启时的仿真数据对比。在图24中可以明显看到，在极限风速与风向突变的情况下，开启塔架加阻功能后，机舱的水平振动依然得到了明显的改善。
由图25及26则可以看出，由于塔架的振动得到了明显的抑制，因此塔顶处及塔底处的载荷水平及波动均发生了明显的下降。因此，塔架加阻功能的开启，除了可以有效地降低塔架及机舱的振动外，同样可以降低机组载荷，帮助机组实现塔架轻量化设计，最终降低成本。
图24 塔架加阻DLC1.4工况机舱位移变化关系，
其中黑色为开启塔架加阻功能
图25 塔架加阻DLC1.4工况塔底My载荷
图26 塔架加阻DLC1.4工况塔顶My载荷
4.2.4现场测试情况分析
图 27和图 28为某实际投产风电场中相同机型的测试数据。尽管测试风况并不完全相同，但平均风速相同，可以明显看出，开启塔架加阻后，机组变桨动作增加，机舱加速度信号得到了明显衰减，机组实际运行稳定性优秀。
图27 某配置柔性塔架风力发电机组现场测试数据（未开启塔架加阻时）
图28 某配置柔性塔架风力发电机组现场测试数据（开启塔架加阻时）
5 柔性塔架应用前景
受风剪切的影响，风速随着高度的增加而增加，为了能更多的利用吸收风能，提高风机的发电量，提高塔架高度是非常好的选择。表1中给出了某实际项目，风剪切为0.2，不同机型配置下，使用100m高度塔架和120m高度塔架的发电量对比。
从该项目的对比来看，随着塔架高度提升20m，平均风速增加0.2m/s，年发电小时数增加200h，全部机型配置下的发电量都将提升超过10%。
表1 相同项目不同塔架高度发电量对比
图29为截至2015年时，世界主流风力发电机组整机制造商所生产的机组塔高的变化趋势。图30则为全球市场高塔架安装数量的趋势和预测。可以看出，随着低空风资源的逐渐饱和，高塔架将成为未来风电行业发展的重要方向之一。
图29 主流风力发电机组整机制造商机组生产塔高变化示意图
*来源：MAKE2016 全球风电技术趋势
图30 国际市场120m以上塔架安装趋势预测
*来源：MAKE2016 全球风电技术趋势
表2 不同塔架形式优缺点对比
钢制柔性塔架作为高塔架的一种，塔架的生产制造和吊装等与传统塔架并无明显区别，无需额外增加成本，且运输条件不受限制，安装及维护都较其他种类高塔架类型更为简单便捷，因此将更加受到市场的青睐。
6 小结
柔性塔架作为高塔架的一种，在风资源日益像高空倾斜的市场前提下，越来越受到人们的重视。配置柔性塔架的风力发电机组由于允许塔架的一阶频率进入机组的运行转速范围，因此存在可能会引起共振的风险。同时，由于塔架高度高，塔架阻尼小，机组在运行期间的振动问题也是在柔性塔架设计时必须要考虑的风险之一。
针对可能会存在的问题和风险，配置柔性塔架的风力发电机组在控制策略上制定了共振转速穿越功能以及气动塔架加阻功能，经过仿真以及现场的数据验证，有效的防止了共振的发生，并且维持了机组的振动水平。保证了柔塔机组的稳定安全运行。
钢制柔性塔架在继承了高塔架高发电量的优点的同时，无需在塔架生产、吊装及运输过程中增加额外成本，将在未来收到更多市场的青睐。
参考文献：
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论文作者:刘略
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/6
标签：转速论文; 柔性论文; 机组论文; 机舱论文; 风速论文; 频率论文; 信号论文; 《电力设备》2018年第22期论文;