随着风电机组运行年限的增加，机组各部件容易出现老化、松动、磨损等现象，导致风电机组变桨系统失效。当来流风速较高时，变桨系统无法及时控制叶片正常回桨，转速无法及时降低，可能会导致严重的超速飞车事故。飞车事故轻则造成机组叶片、变桨系统等大部件损坏，重则发生机组螺栓断裂、主机架变形、发电机与齿轮箱损毁、叶片折断及叶片扫塔，甚至引发火灾、机组倒塔乃至人身伤亡事故，因此，风电机组超速飞车是风电场必须严防死守的。
文 | 李力森，王文锋，王传玺，李晖，蔡安民，张林伟，林伟荣
（作者单位：李力森，王传玺，蔡安民，张林伟，林伟荣：中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司；王文锋，李晖：华能新能源股份有限公司山东分公司）
造成风电机组飞车事故的原因众多，其中，变桨系统故障是主要的原因之一。如某风电场发生机组飞车倒塔事故时风速超过15m/s，事发后经现场勘察发现3支叶片均在0°位置未顺桨1。针对风电机组变桨系统的故障预警与控制优化是常用的防飞车方案，当前已经开展了较多的相关研究工作。例如，文献2基于SCADA运行数据构建支持向量回归的变桨系统故障预警模型，提取变桨系统故障特征向量，实现变桨系统故障的提前预警；文献3提出对现场机组的主轴制动器、变桨系统等进行安全故障分析，重点排除安全隐患，防止安全事故发生。
基于故障诊断的方法对风电机组变桨控制系统等部件进行监测维护虽是行之有效的手段，但由于引发飞车事故原因的复杂性，该方法并不能彻底杜绝此类安全事故的发生。因此，本文提出一种基于风电机组主动偏航侧风控制的防飞车方法，将发电机转速作为主控系统输入信号，当主控系统监测到发电机转速超限达到一定条件时，控制机组偏航至90°侧风位置，从而及时降低叶轮转速；通过软件仿真对所提方法的有效性进行验证，并以机组在运行过程中的转速和载荷为指标对方法进行优化。
主动偏航侧风的作用
风电机组安全链由一系列重要的监控继电器开关节点串联，包括手动触发急停按钮、扭缆偏航极限开关、机组超速模块开关、机舱振动开关及主控内部安全链开关等。在控制逻辑上，安全链系统的优先级高于风电机组主控系统，目的是确保风电设备在出现故障时优先保障安全。一旦触发了安全链上某个节点的动作，将引起整条回路断电，机组立刻紧急停机。如果故障节点得不到恢复，整个机组的运行操作都不能实现。因此，安全链是确保风电机组安全的重要措施。以本文所研究的风电机组事故——风电机组超速飞车为例，当机组正常运行时，主轴超速模块和发电机超速模块的开关闭合，在风电机组触发设定的超速阈值NA后，超速模块开关断开，机组安全链断开，机组将快速顺桨紧急停机。但变桨系统故障可能导致机组无法及时顺桨，机组转速将进一步上升。为防止发生飞车事故，当机组转速触发到预先设定的阈值时，将启动主动偏航侧风功能，使机舱旋转并停止于与风向夹角约为90°的位置，叶轮垂直来流风速方向不再吸收风能，从而有效降低风电机组叶轮转速。
主动偏航侧风是防止机组超速飞车的最后一道“防线”，在这种应急控制策略中，一旦机组执行了主动偏航侧风，需要本地手动执行复位机组才能再次启动运行，最大程度地降低了超速飞车事故的风险。
主动偏航侧风控制方法
风电机组在运行过程中，风况复杂多变，难以保证机舱方向与入流风向实时保持一致，因此，机舱方向与入流风向之间通常存在对风偏差。相关研究资料4显示，仅4°的对风偏差就会造成风电机组输出功率下降约1.13%。增大对风偏差可以有效降低叶轮转速，本文从主动偏航控制的角度出发，当机组转速过高且变桨系统失效不能控制叶片顺桨时，令机组偏航系统主动偏转侧风，实现降低风电机组转速的控制目标。
一、主动偏航侧风控制逻辑设计
偏航控制系统是实现风电机组对风的执行机构，是水平轴风电机组不可或缺的关键部件，其在控制风电机组以更高的效率将风能转化为机械能的过程中，起到了至关重要的作用。
机组正常发电时的偏航控制策略如图2所示。以当前风向与测得机舱位置为输入信号，将二者的差值作为对风偏差，经低通滤波器送入主控PLC中，PLC根据主控逻辑，判断对风偏差是否满足启动条件，若满足则偏航启动，执行偏航动作直到满足要求。
在此基础上，为偏航控制系统增加主动偏航侧风功能。
主动偏航控制工作原理如图3所示，主要包括：
（1）增加一套转速监测系统，实现主控系统对发电机转速的冗余监测，可防止主控系统误判。
（2）当主控监测到发电机转速超过2300rpm（根据需要可设置不同阈值）且持续3s时，触发主动偏航侧风控制。
（3）主动偏航控制器向偏航电机下发指令，控制机舱以顺时针方向偏转。
（4）当主控监测到发电机转速降至500rpm（根据需要可设置不同阈值）以下，或偏航持续时间达到预设的阈值时，新增继电器失电，偏航停止。
（5）原系统中如安全链断开偏航系统将失去供电不能再启动，将偏航系统的供电线从安全链的继电器上拆掉后直接短接，使得偏航控制不再受安全链断开的影响，当机组超速到NA时，安全链将断开，如此时仍不能停机继续超速，则触发主动偏航侧风功能。由于硬件安全链断开后不可自动复位，因此，侧风偏航动作后必须复位硬件安全链才能启机。
二、主动偏航侧风工况模拟仿真
本文基于某1.5MW风电机组模型，以实物PLC作为主动偏航控制的控制器，通过设置卡桨模拟变桨系统故障，对主动偏航控制工况进行模拟仿真。
主动偏航侧风控制策略与机组原有的偏航控制相互独立，而主动偏航侧风具有更高的优先级，即当控制系统检测到风电机组转速超过设定条件时，立刻切换到主动偏航侧风，及时防止机组超速飞车事故的发生。
风电机组在正常发电运行状态下，当在额定功率以下时以转矩控制为主，当发电功率接近额定值时启动变桨，控制机组叶片顺桨，使功率稳定在额定功率附近，如图4所示。在风速逐渐升高的过程中，如果变桨系统因故障不能顺桨，随着风速的增加机组发电机转速会进一步升高并超过额定值，将产生飞车风险。
图4中，设置初始风速为8m/s，在开始仿真20s后风速逐渐增大至13m/s。风速变化过程中，限制桨距角为0°模拟卡桨故障，发电机转速在超越额定值1800rpm后不断升高，出现超速现象。当转速超过2300rpm时，启动主动偏航侧风控制，令机组沿顺时针方向偏航从而回避入流风向，直至发电机转速降至500rpm以下或偏航执行90°以后停止，该过程如图5所示。
根据仿真结果可知，在发电机转速过高触发主动偏航侧风功能后，叶轮转速会在继续升高到接近2500rpm后开始降低，经过约200s后，叶轮转速可以降低到500rpm左右。因此，以侧风为目的主动偏航控制能够实现在转速过高时快速降低发电机转速至安全范围内，可有效防止风电机组超速飞车事故的发生。
主动偏航侧风策略优化
风电机组在正常运行时，或多或少都会存在对风偏差，对风偏差对机组发电功率和载荷均会产生影响。当机组需要主动偏航侧风时，需基于当前运行状态的对风偏差，确定最优的偏航方向，以达到快速降低叶轮转速，并使偏航过程中载荷冲击较小。因此，本节主要探讨不同偏航方向对机组的功率、转速及载荷的影响。
一、偏航方向对机组运行状态的影响
规定机组朝向正北方时为0°、正东为90°、正西为-90°，由北向东为正偏（顺时针方向），由北向西则为反偏（逆时针方向），如图6所示。
首先，设置入流风向与机舱方向夹角θ为＋8°，机舱初始方位朝向正北；限制变桨角度保持0°模拟卡桨故障，发电机转速为2300rpm。机组启动主动偏航侧风，分别使机舱沿正反方向旋转至与入流风向夹角为90°的方位。仿真得到的机组功率变化与转速变化如图7所示。
根据图7，在存在+8°对风偏差的情况下，机组反偏时功率与转速下降更快。若入流风向保持不变，则机组反偏82°时已实现机舱与入流风向偏差90°，且从图中可以明显看出，反偏时机组更早实现发电机转速小于500rpm的目标；而正偏时，机组偏航反而会先实现正对入流风，这就导致转速与功率在最初的50s不降反升。实际情况下，机组启动主动偏航侧风说明发电机转速已经超速，若因执行主动偏航导致转速进一步提高，会大大增加飞车事故的发生风险，反而得不偿失。因此，由图7可以得出初步结论，在机组偏航过程中，不同的偏航方向对机组的动态运行过程有着不同的影响。
二、偏航方向对机组载荷的影响
对以上定义的各工况进行载荷仿真，得出叶根载荷及发电机转矩，具体结果见图8—10。
根据仿真结果，当对风偏差为正值时，机组反偏相对正偏受到的载荷冲击小，反之亦然，这一点与上一节中对功率与转速的仿真结论一致。在存在对风偏差的情况下，当主动偏航侧风启动时，若风电机组主动偏航的方向与对风偏差方向相反，能够使机组的功率与转速更加快速地降至目标水平，同时机组的气动载荷与发电机转矩也有更明显的下降趋势。
为了进一步量化载荷差异，分别计算各组工况下的载荷均值，计算结果见表1。
从表中数据可以看出，当风电机组需要执行主动偏航侧风时，采用的偏航方向策略，对载荷有非常大的影响。若初始对风偏差角度为正，机组沿正偏方向主动偏航侧风，整个过程中不仅转速的下降相对缓慢，对应的叶片载荷和发电机转矩也较大，载荷相差甚至在50%以上，反之亦然。
三、主动偏航侧风控制策略优化
主动偏航侧风功能的目标是使机组旋转到对风偏差为90°的位置，但由于初始对风偏差的存在，采用顺时针偏航或逆时针偏航，将会导致偏航动作运行的角度和持续时间不同，因此，原策略中执行的单一偏航方向有待优化。此外，原策略中将偏航持续时间或偏航旋转角度作为主动偏航侧风动作停止的判断条件，精准度不够，也有待优化。
基于上述分析，对风电机组主动偏航控制策略作出如下优化：
（1）将测风装置与机舱位置传感器的反馈信号同时引入主控的偏航侧风控制逻辑，计算当前的对风偏差角度。
（2）当系统检测到发电机转速高于2300rpm（根据需要可设置不同阈值）且持续3s时，将启动主动偏航侧风功能。
（3）判断当前对风偏差角度：若为正值，偏航控制系统反偏标志位为真，机舱沿逆时针方向旋转偏航；若为负值，偏航控制系统正偏标志位为真，机舱沿顺时针方向旋转偏航。
（4）当对风偏差达到90°或发电机转速下降到500rpm以下，主动偏航侧风功能停止。
优化后的主动偏航控制策略原理如图11所示。优化后的主动偏航侧风控制策略，综合考虑了运行过程中快速降低叶轮转速、载荷冲击小等因素，优化了偏航方向的选择和偏航停止的判断条件。与优化前的控制策略相比，优化后的策略能够更快速地降低叶轮转速，整个偏航过程中机组承受的载荷冲击也较小，更快速地使机组到达90°侧风的目标位置。
结论
本文针对现役风电机组中存在的超速飞车事故风险，提出了主动偏航侧风控制的机组防飞车方法，并通过运行仿真证实了该方法的有效性。基于仿真结果，并以叶轮转速快速降低、载荷冲击小为目标，提出了优化的主动偏航侧风控制策略，新策略中引入了对风偏差角度变量作为偏航动作方向和偏航动作停止的判断条件，优化了控制逻辑。与优化前的控制策略相比，优化后的策略能够更快速地降低叶轮转速，整个偏航过程中机组承受的载荷冲击也较小，更快速地使机组到达90°侧风的目标位置，达到避免机组飞车的目的。
注释：
* 中国华能集团有限公司总部科技项目（HNKJ21-HF163）
1: 庞渊. 风电机组典型事故及预防措施分析[J]. 中国高新技术企业，2015（29）：123 − 125.
2: 王伟. 基于SCADA 数据的风电机组变桨系统故障预警[D]. 华北电力大学，2020.
3: 王明军. REpower 系列1.5MW 风电机组安全和飞车故障处理[J] 风能产业，2012（1）：38 − 44.
4: 王欣，吴根勇，潘东浩，等. 基于运行数据的风电机组偏航优化控制方法研究[J]. 可再生能源，2016，34（03）：413 − 420.
