中车株洲所刘红文：H140柔塔设计创新与应用分析

2019年10月21-24日，2019北京国际风能大会暨展览会（CWP2019）在北京隆重召开，大会主题“风电助力‘十四五’能源高质量发展：绿色、低碳、可持续”。自2008年首次在北京举办以来，已连续举办11届，成为北京金秋十月国内外风电行业争相参与的年度盛会。

CWP2019进一步加强了大会的国际化特色，组织了20余场精彩论坛和各类活动。其中，竞价/平价上网：风力发电创新技术论坛于10月23日下午在新国展召开。中车株洲所风电控制技术部部长/高级主任工程师刘红文出席大会并发表主题演讲。以下为发言全文：

刘红文：风电的各位同志大家下午好，大家辛苦了。我先自我介绍一下，我是来自中车株洲所的刘红文。然后今天大会安排的非常好，关于我们目前比较热门的高塔方面的一些技术安排在一块，前面我们金风海装的，都讲技术和解决方案。那么我接下来就是分享一下我们在柔塔的设计方面的一些实践或者一些应用。这个分享分为三个方面，第一个讲一下我们这些高塔为什么会这几年变得比较热门，第二个方面就是我们在解决开发一款有竞争力的高塔方面，柔塔方面，设计方面一些创新，第三个是我们实际的一个应用案例。

那么在政策方面的话我们实际是一个，我总结是一个机遇跟挑战并存的。首先讲一下机遇，机遇的话就是我们十三五，整个风电行业的一个发展，这个方向基本上我们中东部和南方这个地区去转移，包括去年或者今年我们所面临的一些招标，好多都是我们低风速的，我们中东部的招标比较多。那么我们也做了一个统计，我们今年的一个统计，仅仅是今年我们到八月份的一个招标，我们参与的一个招标的话，整个对高塔的这样一个招标的一个需求达到了10%，这个是总量的一个需求，那么对于我们高塔这个分切片比较大的这些区域，比如说我们江苏，我们河南，对于这些省份来讲它的比例是远远高于10%的，那么怎样乘以10%这个人量，就像我们先面的分享一样，可能我们未来几年都是我们发展的一个热门之一。第二个，为什么要有一个高塔技术，那么实际从我们左下面这个图，因为高塔对我们风剪切，这样一个风资源，这一个关键参数很敏感，那么我们左下角做了个对比，假设我们100米这样一个高度，它的年平均风速是5.5米的话，我们到140米的时候，我们的年平风速可以增加到0.6米左右，大家可能对这个数值不是非常的敏感，那么我们折算到发电量的话，我们从风剪切0.1到0.3以上的话，我们的发电量提升会提升4%到20%以上都有可能，那么一方面是我们发电量输入的一个增加，那么从我们风场近来来说，这个高度的增加意味着我们成本有个增加，所以根据我们经验一个评估的话，我们认为是风剪切达到了0.15以上，基本上就有高塔应用的可能。我们目前面临到的很多风剪切其实已经达到了0.3以上。

刚才说的是高塔，那么我们钢塔的话从技术流派来讲，我们其实有好几例，我也分享一下，就说我们整个目前我们行业内所大量批量运用的两种技术路线，一个是我们高混塔，一个是我们柔塔的这样一个对比。当然这两种技术路线都有它需要解决的问题，我非常赞同金风的巫总所说的，就是我们这个柔塔，它就相当于我们的舵手，它舵手就更灵活，那么凡是我们能用控制解决的一般是很灵活的，另外它的付出代价一般也是比较低的，这是它的一个优点。当然它也有一些会面临的问题，所以我这个报告也是想我们在柔塔，这个140米柔塔的开发过程中碰到的一些问题我们怎么样解决，给大家做一个分享。第一就说我们塔高，怎么样选我们比较合适的，这个来说我们柔塔，变柔了之后，我们会面临到一些载荷的问题，那么包括我们的极限载荷和疲劳载荷，另外一块是我们刚才说的对控制策略，它要求是有一个比较高的要求的，那么对我们的共振，或者一些振的保护方面需要做一些特殊的处理。好，另外一块就是我们这些涡级共振，包括一阶的涡激共振，还有二阶的涡激共振。

下面我就分享一下我们在解决这些问题里面我们的一些实践的经验。我们知道柔塔的话它是有一个很关键的，就是我们塔的一些固有频率，跟我们的风能转速是有个交点的，就是我们可能会增加一些1P共振的一些风险，那么前期很大的一些工作是围绕这个地方解决这些共振的风险问题。

第一个问题是我们为什么选择140这样一个塔筒高度的柔塔。第一个是我们在2.5兆瓦，146米上面这款产品里面，它的风能1P是有个范围的，那么0.1赫兹，到我们0.18赫兹左右。塔筒增高了之后我们画了一个图，就是我们100米的塔筒的时候，我们一阶固有频率是0.28赫兹左右，到了110米的时候是0.26赫兹，所以我们塔筒高度慢慢的增加了之后，我的频率是下降的，那么到140米的时候，我们的塔筒这个频率，一阶频率到了.0158赫兹。这是第一个约束，第二个约束的话，我们还能不能增加，所以我们在2.5兆瓦46的时候，我们这个高柔塔的时候我们选择了140米这样一个高度。第二个问题是我们怎么样避免这个塔筒的1P共振，那么第一个关键的问题就是，我们要避免我们的分值，我们1P共振的话有个范围带，我们避免这个分值在这个范围带，避免它在这长时间的一个运行。右上角这个图就是我们用分色的这些带圈起来的这个图，那我们是一个转速的，那么我们也做了一个对比。那么红色的是我们加了一些转速类色的是没有加的，那么很明显能看到第一个，没加这个策略的时候，我们柔塔有可能运行在这个转速这个共振范围里面，加完之后这个分值就不会运行到这个转速里面去了，所以这个也刚好回应了一下我们金风同事说的控制策略怎么样避免我们共振的问题。那么右下角这个图是我们从力的角度，我们载荷的这个角度，看一下黑色的确实如果没有加控制策略的时候，它的载荷会有个发散的趋势，也是共振，那么这种效应对我们的载荷贡献是非常大的，所以通过我们控制策略的引入，我们控制手段就避免了我们这个事情的发生。

第二个方面我们就回忆一下，刚才也有同事讲了，就说我们这个发电量的损失我们有点疑虑，那到底损失多少呢，这里面是有讲究的，就我们定了一个转速之后，我们这个策略，这个宽，这个转速范围是可以动态的去调整的。比如说根据我们风的这个强度，如果强度比较大，你可以把捍卫窄一点，因为天线上它自己会跨过这个区间，这套就是要长时间运行在这个共振转速范围里面，所以我们在这个柔塔的设计的时候，我们加入了我们发电量的一个考量，就是动态的调整我们的转速的范围。另外一个方面就是我们在这个中间，这一个带我们也是有讲究的，我们不是简单的说这个地方没有功率了，或功率降的很低，所以我们一个从载荷从这个力的角度来说，还有同步考虑我们这个发电量，我们把发电量做了一个重点考虑之后。然后我们对比了一下功率曲线，就说它的最大不同点就是我们右下角这个蓝色的圈圈里面，大家发现没有，这个功率曲线是很危险的一部分，那么这仅仅是从功率曲线上这个维度来平价我们这个发电量损失，那么在一个六米每秒的风场的话，我们年发电量损失是非常小的，大概在0.15左右，这个基本上大家可以不用担心这些事情。

第三个方面就是我们所说我们的政策方面，是不是有一些什么解决方案，那么我们也是有的。第一个是我们做了一些软件方面的一些动作，第一个是我们对我们一阶固有频率的差的水平，我们做一些保护，这个是预制方面的保护。同时我们还是会对这些趋势，它这振动的趋势，做一些保护，达到我们实现一个预警的一些东西。还有一个就是我们会有额外的一些保护增强，比如说我们柔塔制作的时候，我们因为它更柔了，所以我们对这些载荷会更敏感，所以我们在一些传统链中，还有我们塔筒的一些，比如说我们6P，跟我们塔筒二阶方面还要做一些保护，或者一些相对策略在里面，所以这些动作我们都是通过软件，或者从算法层面，不用付出任何代价来解决的。

第二个方面我是怎么来降载的，就是我们柔了之后，我们会有一些直线载负，我们都会碰到，比如说我们一些直端湍流的一些控制，还有针对一些超速的抑制方面，我们增加了一些新的策略，还有我们指导风向变化的时候，我们会碰到一些直线载荷，这个是对我们塔筒非常不利的，所以我们在设计140米塔筒的时候，我们加入了一些新的降载策略在里面。

第四个问题是我们的涡激共振的问题，因为这个也是像老生常谈了，那么以前大家谈的更多的可能是一阶涡激共振，那么我们塔筒高度高了之后，这个我们做了一个表，发现没有，大家到了140米的时候，塔筒高的时候，我们面临到了一个新的挑战，就是我们在一个二阶的涡激共振。一阶涡激共振目前是很成熟了，大家行业内都在这么做，就是可能我们会在安装的时候，会安装扰流条，但是我们安装的时候是有一些讲究的，左下角这个图，我们是对一些扰流条的厚度进行了一些仿真分析的，它使它安装的时候这个受力最小，达到这么一个目的。第二个我重点介绍一下我们的二阶涡激共振，那么我们用的是一个多重调协叶体阻力式，这个我们也做了，右上角那个图是我们实质上安装的一个事实物图，我们对比了一下，安装了之后我们的位移，这个筛减率可以达到11.9%，然后最大的加速度的这个正负率可以减少14.9左右。另外一块，我们还是在软件上面我们也会做相应的一些，不需要付出成本的一些动作，简单来讲说我们假设风机有鼓掌故障的时候，我们能不能通过实现我们机组的对风，然后让我们的风能有一些自由的旋转，这样的话破坏了我们涡激共振形成的一些条件，这样实现就避免我们这些制机组更安全。

接下来分享一个案例，就是1.40米柔塔的这个分享案例，我们在河南的一个项目，有个40万的项目，那么这个项目就是安装了16台的轮毂高度140米的，风能直径是我们2.546的这样一款产品。下面是我们吊装的一些实物图，那么这个分场里面它的风剪切已经达到0.36以上，那么0.36大家看一下对我们的业主的投资回报率大概是什么样一个水平。第一个我们从发电量这个维度来讲，我们假设是100米的这样一个塔筒高度的话，我们的小时数是2.95，23小时，达到140米的时候，我们满发小时数可以达到2695，那提升比例是将近20%的一个发电量，当然它会有塔筒的一些初始成本的投入，那么最根本的是我们来对比一下我们资本金的一些回报率，那么在100米的时候，我们的资本金回报率大概是10，那么用了140米这个柔塔之后，因为它的成本代价不是非常大，我们直接可以资本金这样一个，可以达到14.24%左右，这也是我们实实在在的一个案例。我的分享就到这里，然后如果大家有一些咨询的话，大家可以加我的微信，大家可能更多的交流吧，谢谢大家。