海上风电机组抗台风设计策略

海上风电机组抗台风设计策略

赵陆鑫程宇航杨洋

吉林农业科技学院吉林132000国网天津市电力公司城西供电分公司天津300000吉林农业科技学院吉林132000

摘要：近年来，随着社会的进步，全球资源日益紧俏，各国相应地把目光投入到新能源领域。我国海岸线长达1.8Km，海上资源丰富，且电价政策更倾向于海上风电，也使国内海上风电技术得以进步与发展。数据显示，2018年我国海上风电总装机容量为445万千瓦，在建647万千瓦。据统计，每年平均登陆我国沿海地区的台风有7个之多。为减小对台损失、提高利用率、节约发电成本，本文从抗台风这一问题上进行简要分析。

关键词：台风；海上风电机组

1前言

当前我国的风力发电机组都依据相关的专业标准来确保风电机组在标准的环境下能持续可靠的运行，而我国风电机组发展较晚，所以这些标准大多来源于欧洲国家，并以欧洲国家的气候特征为主要参考。IEC制定的风力发电机组的安全标准IEC61400-1是我国当前最广泛认可的标准之一。但是，这些标准在实际海上风电机组建设中没有足够的可靠性。同时，我国沿海地区环境复杂，气候类型不一，对风机的要求更高。所以，设计和制造抗台风的风机电机组，对我国沿海地区风电事业极为重要。

2台风的形成以及对海上风场的破坏

在热带或副热带洋面上继续旋转并向前移动的大气漩涡，在气温不变低的前提下，越来越大、越来越快，最后形成了台风。

近几年来，我国东南沿海地区的海上风电机组频繁遭受台风的袭击，造成巨大损失：

2010年，台风“鲇鱼”登陆福建漳浦县六鳌镇，六鳌风电场一台风电机倒塌，一台电机叶片折断，多台箱变线圈由于短路被烧毁，两台轮毂进水。

2013年，台风“天兔”登陆红海湾，造成8台风机倒塌，叶片、机舱、轮毂损坏10台，2台风电机组机舱着火。

2014年，台风“亚马逊”登陆海南文昌，文昌风电场3台机组损毁，1台被整体吹倒，2台叶片掉落；广东湛江徐闻勇士风电场15台风机被整体吹倒，3台出现叶片损坏、机舱受损、发电机掉落。

2.1台风对风场破坏的原因

台风对风场的影响特征主要包括：异常湍流、突变风向与极端风速，这些因素会对标准风机造成一系列损伤。

以“鲇鱼”为例，据风速计算报告结果统计，在其中心点登陆的过程中，风机倒塔时间段内瞬时风速达到70.2m/s，涡流强度在0.3以上；叶片折断时间段内涡流强度大于0.3，入流角大于20°，这些都远远超出了制造标准的可承受极限风速70m/s、最大涡流强度0.16、最大入流角8°。

图1是台风“鲇鱼”路径与强度随时间的变化。

3抗台风海上风电机的改进设计

台风对风机组的影响不容小觑，通过数据可以看出风电机组的不足，为能使风机组更好地进行工作，应进行的改进设计有：

3.1叶片的设计

叶片在风电机组中有着无法替代的作用，在台风期间，叶片的风载十分巨大。我们应了解风机组在极限情况下出现的问题，从而改进设计。

众所周知，极端风速下叶片与塔筒极易受损，机组的塔筒载荷与叶片载荷影响最大。若使对风情况下塔筒及叶片载荷最小，要使机组的阻力系数（Cd）和升力系数（Cl）均为最小，而Cd、Cl决定于攻角α。在台风下根据不同的叶片升阻特性，应通过控制偏航和变桨，实现叶片攻角处于0攻角附近，这样可以使台风下机组的受载更小。

采用加厚叶根铺层，提高叶根抗弯模量。叶片的风载与风速成正比，但一味提升叶片的刚度则成本必然也随之增加。柔性智能叶片可以补足刚性叶片的缺点，根据风速来改变受风面积、化解风的冲量。还可在风资源不理想的情况下获取最大风载。

通过优化叶片外形设计与铺层结构设计，既权衡气动效率、考虑机组载荷大小、优化叶片材料与加强安全考量，在保证荷载、效率、成本最佳的情况下设计叶片。

3.2机舱的设计

采用超紧凑传动链设计、机舱一体化设计，可以减轻机舱的重量、减少传动链的荷载传递路径。这样密闭性好、防盐雾、相对于传统机舱罩设计更加不易受台风破坏。超紧凑传动链能将载荷通过风轮，将以最短的路径传递至塔架，设计会使其机舱尺寸远小于传统的机型尺寸，利用CFD技术使机舱外形符合更契合空气动力学，因为机舱的迎风面积越小对机组的载荷越有利，尤其对塔筒和基础而言，减小机舱外形尺寸可有效降低塔筒和基础载荷，从而提高机组的抗台风性能。

3.3偏航系统的改进

在台风来临时，偏航系统侧面受风的荷载比正面迎风至少大20%。由于电网遭到破坏，传统的偏航系统只能不停地调整对风方向，在电源电量耗尽后，风机就会遭到台风的破坏。因此这种方法在极端条件下效率低并且不可靠。

据悉，某专利设计了一款更优的偏航控制装置，在正常条件下风力发电机上风向工作，遇到极端风况便自行转为下风向工作，这种方法采用了自动偏航系统，减少风轮负载，进而达到抵御台风的效果。

3.4加固塔架的设计

在风电机组中，塔架是风机的重要支撑结构，投入成本相对较小，但如果其倒塌就会对风机造成毁灭性的破坏。因此要高度重视塔架的设计，提高塔架的质量，从而提高安全系数。

3.5改进台风期间控制策略

在风机控制系统中增加风机台风运行模式，风机在来台风前切入台风模式下运行，机组自动停机，桨叶顺桨。同时风机可开始主动偏航，风轮追踪主风向对风，使整机尽量处于最小载荷状态。

成立台风应急小组，及时预警，预报台风动向，在来台风之前便切入台风模式下运行，使整机尽量处于最小荷载状态；第一时间应急交底，讨论预案，进行预演。

3.6其他基础设计

因为海上风电机组的位置处于海上，所以还需要加强建设的微观选址，避免在环境涡流大的地方安装风机组。考虑基础平台设计，采用浮式风电平台（包括半潜式、TLP式、Spar式、Barge式），浮式平台风载荷大，风倾力矩大、重心高等优点，但稳定性较差。抗台风标准高，可抵御十分钟平均风速每秒50米、有义波高超过10米的恶劣天气。

风机的抗台设计是一个整体设计，不可单一加强一个方面而忽视其他结构，要科学合理的进行设计，兼顾施工安全，避免盲目增加成本。

4结论

如今我国海上风电发展迅猛，发展前景十分广阔，这种情况下风电机组的抗台风性能必须提高与完善。但是还会面临许多挑战，我们要踏实稳健的前行，结合陆上风电发展的宝贵经验和国外海上风电发展的优点，降低成本、减小风险，使海上风电这门新型清洁能源健康稳步发展。

参考文献：

[1]罗超曹文胜.台风对我国海上风电开发的影响.集美大学机械工程学院；福建省清洁燃烧与能源高效利用工程技术与研究中心。

[2]黄冬明张铁曹人靖张启应柳胜举.风电机组抗台风技术策略与应急管理.华南理工大学机械与汽车工程学院；广东明阳风电产业集团有限公司。