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风轮的不平衡载荷是以风轮旋转的周期作用到塔架结构上,若这样频率的激励和塔架的固有频率发生相交,就可能导致塔架结构共振。转子不平衡补偿控制技术能够消除这种不平衡载荷,将外部的这种激励输入降到最低。这种技术最初在大叶轮的低风速机组上有过成熟有效的应用,叶轮越大带来的不平衡载荷的影响就越大,柔性塔架把这种不平衡载荷的外部激励进一步放大。不平衡补偿技术有效地解决了这个问题,使柔性塔架控制技术快速发展。
主动阻尼注入就是用软件控制变桨策略,实现实际上的阻尼效果,进一步抑制塔架可能的振动状态,将振动的初始状态遏制在摇篮里。从而有效抑制产品塔架振动的外部激励。同时再通过变桨控制形成强大的气动结构阻尼作用,本质上就是让动态穿越技术不再作为常态的控制方法而蜕变成保护策略的一种。这是风力发电机组控制技术持续进步给全钢柔塔技术带来的突破。
全钢柔塔需要解决的另一个技术难点是控制塔顶摆幅。风电机组可以简化为一个固定端在大地的单臂梁,高度越高,相当于梁的长度越长,则自由端的摆幅将越大。因此,在同样情况下,相比传统较低的塔架,高塔架摆幅相对较高。此问题可通过塔架加阻,及由控制系统调整叶片气动加阻等方式解决,这也是目前厂商采用较多的方式。
高塔架在安装和运行过程中还可能遇到涡激振动问题。任何非流线型物体,在一定的稳定流速下,都会在物体两侧周期性交替的产生脱离结构物表面的涡旋,即边界层脱离。这种交替发生的涡旋会在筒体上产生横流向周期性变化的脉动压力,脉动压力的频率如果和结构固有频率接近,就会引发筒体横向的周期性振动,这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的涡流脱落形态,恶化表面漩涡的脱离。这种流体-结构物相互作用的现象,被称作“涡激振动”。
图7 涡激振动示意图
解决高塔架吊装过程中的涡激振动问题,目前采用较多的方式是在吊装阶段给上段的塔架附加扰流条工装,破涡止振,也可通过塔架在安装阶段安装阻尼器工装或变桨气动加阻的方式抑制吊装阶段和机组上电前的涡激振动问题。
图8 附加扰流条工装的高塔架吊装方案
通过以上分析可以看出,全钢柔塔的主要技术挑战并不在塔架本身,其生产、运输过程与传统塔架并无区别。风力发电机组整体控制水平的提高才是全钢柔塔应用的关键。
(二)钢混塔及技术难点
钢混塔一般指钢材和混凝土共同构成的塔架,其下部是混凝土段,上部是钢塔段,因此钢混塔更像是提升了基础高度的传统钢塔。就整机控制而言,钢混塔的控制和传统钢塔差异不大。2013年,90米高钢混塔架机组在达坂城风电场并网发电,至今运行效果良好,为后续钢混塔在高塔架方面的应用打下了良好基础。近日,在盐城大丰,140米钢混塔也已完成吊装。
图9 90米高钢混塔架机组(2013年5月并网发电)
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