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阳明智慧能源集团股份有限公司解决方案总监叶凡:低风速区域实现抗台风模式的控制策略

日期:2018-06-15    来源:国际能源网

能源资讯中心

2018
06/15
16:24
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关键词: 海上风电 风电 低风速区 抗台风模式 海上风电领袖峰会

  2018年6月14日-15日,第三届“海上风电领袖峰会”在福建省福州市举办。峰会汇聚世界各国风电精英,探寻海上风电创新方向。14日下午,在峰会举办的“大国重器—海上风电大型机组高峰论坛”上,阳明智慧能源集团股份有限公司解决方案总监叶凡先生致辞,叶凡详细介绍了阳明集团的抗台风技术。
 
  以下是叶凡先生致辞:
 
  各位同仁下午好。今天我很有幸站在这里和大家交流一下中国的抗台风低风速区域抗台风技术,我们是阳明集团,阳明是在南方,在中山成长起来的企业。企业在成立之初就是致力于研发抗台风风机,我们第一台在广州运行十年了,所以阳明在台风领域研究还是相对其他友商可能要更加的深入一些。因为我们真正的经历了有700台风机在台风区域每年经验台风的考验,也积累了大量数据。
 
  今天PPT分四个部分,典型台风风资源的特性。第二就是海上风电设计标准,第三就是台风的适应性,还有针对低风速区域要实现抗台风的模式的控制策略。
 
  这是很简单的图,过去20年来每个台风登陆中国区域的路线图,密密麻麻,特别是南海,目前广东省平均每年经历台风4-5次,这是非常高的频次。然后我们现在在这些与区域都会有很多测风塔,这张图可以看出来我们在海南省东方港城市有一个测风塔在过去2012-2014年,2年时间测到6次台风,包括知名的魏玛讯(音),这几个台风过境我们每一次记录所有的台风数据,通过风数据的分析,我跟传统做风资源分析有很大的区别,我们首先关注台风期间空气密度的变化,从图上几张图可以看出来,台风期间的空气密度跟平时空气密度不一样,为什么?主要台风期间气压有很大的变化,我们大量研究台风数据,台风期间空气密度在1.135-1.175这个范围,这跟我们在做载荷计算的时候是很重要的参数。第二部分我们做湍流分析的时候,上午,包括其他友商也发现这个问题,裁缝期间湍流跟我们正常运行期间湍流很大不一样的,我们传统认识里面就是海上风资源湍流很小,甚至C都达不到。然后,在台风来期间,这个湍流有一个翘起的现象,风速大于15米每秒的时候,湍流会有比较明显的上翘趋势。湍流会对机组寿命会有很大的影响,这是我们测到过去过境实时数据。
 
  第三个就是阵风系数,我们常用的阵风系数是1.4倍,真正台风期间,阵风系数不是这样的,比如我们观察几个关键台风的时候,就是卑鄙家(音)台风来的时候是阵风系数1.2-1.3之间。其他的是1.15-1.25之间。这个跟我们传统认识的阵风系数1.4有很大的差距,我们取保守数据,我们保封塔我们这个阵风取1.25。台风强风状态下阵风系数达到1.35。这是我们做极限风速推断最重要的依据。
 
  第三个风切变。台风的风切变和平均风切变有很大的出入,可以看到我们测八级以上的台风样本86个,从机组安全设计考虑,台风风切变是0.119。以上是我们在海南,东风港城测试塔测试的数据,同时我们在广东阳江这个地方也有一个测风塔,我们测试了四个台风,正面登陆,包括威马讯(音),还有彩虹,尼达,这四个台风跟我们之前的结论类似的,同时福建区域我们采集到3个台风,像有名的杜鹃,通过这些测风塔我们艘管这些数据,建立我们模型,所以我们用这个HOLLAND模型进行我们的台风模拟结算,台风里包括了气压,气旋的直径,特别是气压参数不同,风抛面也是不一样的,所以风速值,高值区域比较集中的地方,极限风速越大。所以我们做台风载荷计算的时候肯定要把历史的数据进行统计,分析,归类,然后再进行模拟计算。
 
  说一下,我们所研究的台风省份主要集中在广东福建广西以及海南,这几个省风资源特点就是极限风速比较高,在针对像广州区域,将来如果要竞价上网,同时要有超强台风,而同时它年平均风速比较低,你怎样实现它的竞价上网或者将来2020年之后怎么实现它的平价上网是很大的挑战。所以我们开发风机,作为供应设备侧,怎么通过设备研究保证我低平均风速下实现抗台风,也就是能够把风轮直径或者载荷得到最佳控制,这是我们主要研究的对象。所以我们对中国风资源分类进行了分类,比如福建区域,一般以长江为界,长江以南每年都台湾的影响,这些区域都是要考虑强台风的影响。在有台湾影响的区域又分两部分,比如福建海峡,狭管效应,年平均风速比较高,像省政府说了这是风水宝地,年平均风速达到8米到10米以上。这块区域的是属于高平均风速,广东是平均风速有台风区域。针对不同的风速,区域,我们做产品的开发是有不同的一些策略的。在这个过程当我们积极和欧洲的企业合作,共同就台风标准的制订和研究。
 
  刚才了HOLLAND模型和国外机构研究当中,积极做台风载荷计算,这个过程中,比如极限载荷一般考虑3298种,疲劳载荷工况共计1203个。在强台风情况下,会伴随一个大的浪,波浪,造成风浪耦合的载荷,所以在这个台风的工况下载荷情况,相对陆上,没有台风区域的要复杂很多。
 
  我们知道这个风资源情况,知道载荷的情况,我们怎样对设备去设计研究,研发出适合台风的设备。我们可以通过历史上,有台风登陆区域的风厂对风机有哪些影响,可以看到台风对风机的影响主要几大方面,第一对叶片,因为叶片是直接传递载荷的,而且叶片如果台风来的时候受到侧吹,叶片和机舱会受到比较大的阵风载荷的影响。另外湍流很大,叶片有时候极限不行了有时候会因为疲劳会折断。这是第一要考虑的因素。第二是机舱本身。因为传统有机舱罩设计,比如机舱体积比较大的设计,比如侧吹,台风,直接登陆的时候,机舱受到载荷是非常大的。那么它的机舱兆瓦最容易受损的部件。
 
  第三部分就是塔架,基础的破坏,主要是塔架区区,会造成开裂甚至倾覆的现象。所以我们在海上风机研发过程当中会充分考虑到一体化设计,也就是说整机一体化建模。充分考虑浪载,结构,把我们控制策略,和非现行耦合作为全反馈的形式,形成一个闭环进行设计。这就是通过一体化设计来降低我整机在台风期间的载荷。
 
  叶片设计这块的话,抗台风机组叶片一直是我们研究的,因为刚才说了,如果一个风机,风轮直径非常小,有很好的抗台风性能,但是发电量不好,这个投资也是有很大风险的。所以我们在台风区域的叶片设计,和传统的叶片设计有很大的区别。
 
  这个是我们设计的时候一个适应性的设计,随着台风的改变,我们的叶片也会相对比较柔。在这块,台风期间载荷,这种气流的影响下,我这个叶片怎样运行更加的平稳。不会让它出现机组的共振。
 
  这是我们涡流尾迹分析,通过这个分析保证机组在运行期间特别是台风情况下的稳定性和可靠。
 
  这是我们在台风期间,台风从不同角度登陆我这个风厂,我这个风机所受到载荷的谱图,可以看出来我叶根载荷跟塔根载荷,风机正面的情况是载荷最小的,第二种情况从侧,后面吹国家,就是机舱尾部吹过来,载荷次小位置。这是载荷的研究的,决定了我在后面机组的控制侧面上,怎么样规避它最大载荷出现的情况。然后,同时我在整机建模过程当中要尽量实现高精度,也就是基于精细化的有限元分析以及多单元理论多体动力学风机设计平台,确定我风机模拟下每个仿真更加的精确和快速。我们目前推从的超紧凑的半吹的,整个造型非常的小巧,比如模块,模块化设计,通过高强度的螺旋连接,无其他的多余附属承力间,提高了在台风情况下的安全性。
 
  机舱一体化设计确保我刚才说的机外型尺寸最小的,在台风登陆的时候它的载荷同比其他功率的机组,它的外形尺寸要小。那么它的载荷,与其他载荷也要小20-30%水平。那么载荷越小,塔桶基础造价,用量都会相应的降低。
 
  然后,最后一部分讲一下,要实现低风速抗台风这个策略,目前我们开发的产品,包括风厂有在海上运行的长江以南的,都有抗台风模式,但是这个模式有两种,要么手动进入台风模式,要么自动进入,这个是通过风速判断,这个暂时不展开。
 
  我们主要抗台策略是什么,目前就几个方案在用。比较常见的方案就是采用后备电源使机组实现主动偏航,刚才说如果机组正面对风,叶片对风状态,使其载荷最小。这是第一种常见方案,第二种方案是自动的,自由偏航的策略,这个分两个分支,电网有电,可以使机组切除情况下使其主动偏到下航向,叶片顺桨。还有采用业压,偏航自备后备电源,使机组下风向载荷最小。这是第二个方案。
 
  这里没有展示的,我们正在研究第三种方案可能就是叶片,我们现在已经有分段叶片技术,通过分段叶片加强我的叶片,同时通过分段叶片保护我风机技术,这种技术处于实验阶段,所以今天不展开,最后讲一下利用台风先进的控制策略,在确保风机在台风安全运行情况下怎么提升它的发电量,这里面主要包括了塔架加阻,以及共振穿越,还有传统连加阻。保证我机组安全情况下,台风登陆时可以没有超出接受度的时候抢发电量。使受损最小。
 
  (根据发言整理,未经本人审阅)
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