汤浩然、蒋剑、周军军、江增元
华能（浙江）能源开发有限公司清洁能源分公司
摘要：通过台风对风电场的影响，围绕微观选址优化、机组选型与设计优化、风电场土建优化设计来探讨了风电场的防台风设计。基于风电场的防台设计与工程实践经验，分为台风来临前、台风进行中、台风过境后三个阶段分别讨论了风电场在台风期间的运行保障措施。
关键词：风电机组、台风、微观选址、风电场运营
一、台风对风电场的影响
台风对风电场的影响利弊兼有。据中国风能协会统计,影响我国的台风中,有56%的案例可以为风电场带来良好的发电效益,即每年都有超过一半的“有利台风”影响我国,但直接登陆的破坏型台风对风电场的危害也是致命的,减少和避免台风给风电场带来的灾害是一个系统工程,它涉及到风电机组的设计和选型、风电场的选址与施工以及风电场安全运行管理等各个方面,只有各个部门通力协作,共同有效地提高风电场抗台风能力,才能充分保障风电场的安全经济运行。
二、风电场的防台风设计
2.1风电场的微观选址优化
风电机组的微观选址应综合考虑风电机组的安全性和发电效益。台风强气流突然改变带来的非常湍流是造成风电机组破坏性损害的主要原因，因此，在微观选址时，避免在湍流大的区域、台风经常登陆的区域和强风区安装风电机组是最有效的预防措施。风电场每个预装机位的湍流强度均由风流模型软件计算，而任何软件的计算前提均需输入观测数据。因此，必须重视风电场的测风工作，加强数据采集，准确掌握风电场真实的风力数据，积累极端气候条件下典型风力数据，为风流模型软件计算提供较齐全的基础资料。沿海风电场应选择抗台风型测风塔，并且其配套的相关设备应具有防盐雾腐蚀的特性。
风电场每个预装机位的湍流强度均由风流模型软件计算,而任何软件的计算前提均输入观测数据。因此,必须重视风电场的测測风工作,加强数据采集,准确掌握风电场真实的风力数据,积累极端气候条件下典型风力数据为风流模型软件计算提供较齐全的基础资料。沿海风电场应选择抗台风型测风塔,并且其配套的相关设备应具有防盐雾腐蚀的特性。
2.2机组的选型与设计优化
首先，需要选择抗台型的风电机组。在风电机组设计选型阶段，应充分考虑台风过境特性，因测风塔通常仅获得了水平方向的风速，应结合可研设计情况选取湍流强度等级较高的风电机组。
其次，可以着眼于叶片的改进。建议选用柔性叶片可以减弱刚性叶片的缺点，它可以根据风速的变化相应改变受风的型面，在增加风能获取量和转化量的同时，改善叶片的受力状态，减弱风对其的破坏力。柔性叶片还可以避免大气紊流和阵风波动对风电机造成的振动，可以降低疲劳载荷，延长风电机组的寿命。
更重要的是控制系统与偏航控制策略的改进。台风来临时，风电机组可以使用如下“台风模式”控制策略。随着风速增加，当风速达到设定风速时（一般为 25m/s），风电机组自动启动台风模式（也可以手动切换），风电机组桨叶紧急顺桨至91°，风电机组处于停机状态，同时风电机组机头偏航正对台风风向，桨叶处于最小受力和空气制动状态，通过程序控制释放主轴刹车（高速制动器）和系统压力，同时保证偏航刹车的压力，这样将大大减少叶片、机舱以及塔筒的受力。
此外，可以进一步加强安全链控制的优化设计。安全链回路中，风电机组故障急停或断电的状态下，风电机组刹车系统处于抱闸状态。但叶片受到极大强风的作用，容易造成刹车系统失效，刹车片磨损产生火花引起火灾。需要有针对性的改善风电机组刹车状态，可以通过优化设计增加泄压回路，人为远程或就地控制刹车系统的状态。
再者，对风电机组而言，塔筒刚度远不如基础，但塔筒底部却要承受与基础相近的荷载。塔筒底部及未设置加强环的部位是塔筒在台风中较容易损坏的部分，通常容易出现结构局部屈服或者局部屈曲现象。因此要高度重视塔筒和连接螺栓的设计，提高其安全裕度。一般情况下，塔筒是分段安装，塔筒段的连接处为直径和筒壁厚度的转变处，使得转变处的刚度为薄弱点，当受到机舱大幅度摆动和叶片的传递载荷可能将产生变形、折损现象。故塔筒设计时应加强连接处的强度，提高基础结合处的承载力。在装机容量相同的情况下，作用于钢筋混凝土塔筒上的风荷载要明显小于钢制塔筒。因而塔筒也可以考虑采用钢筋混凝结构。
2.3风电场土建优化设计
当台风侵袭风电场之后，通常道路旁会出现排水沟被山体的泥石流掩埋或堵塞，以及道路路面被雨水冲刷严重等问题。
为避免以上问题，建议道路设计时，应注意以下几点：
1、道路的放坡斜度不宜过大，防止被雨水冲刷；
2、山体易发生滑坡或坍塌的路段应修筑护坡挡土墙；
3、大转弯路面需硬化，避免雨水冲刷出现水土流失；
4、排水沟的设计需宽敞顺畅；
5、针对距离海岸线较近的风电机组应对基础平台的护坡进行加强防护处理，可修筑挡水墙应对浪潮和强降水的冲击。
三、运行保障措施
3.1台风来临前的准备
风场风电机组根据S类风设计，其极限风速为70m/s。但台风期间，其瞬时风速可能接近甚至超过设计风速，且风况复杂，湍流角度和入流角可能超过设计值，如果机组存在故障，可能受到不同程度的损伤，严重的甚至发生桨叶断裂和塔架倒塌事故，所以，在台风过境前，应有针对性地对相应部件或系统的状况进行检查。
首先需要做好变桨系统检查。检查变桨动作是否正常，变桨过程是否稳定，是否有异常噪音或者剧烈振动，并检查桨叶1实际到达的角度是否是0；按同样的方法分别检查桨叶2和桨叶3；检查超级电容无裂痕、变形等现象，按下手动安全停机或紧急停机按钮，此时桨叶由超级电容供电顺桨，记录桨叶顺桨时间和顺桨过程中电机稳定电流；检查限位开关固定情况，有无松动。
其次需要检查偏航系统与高速制动器。手动启动左、右偏航，检查偏航动作是否正常，观察偏航过程中是否平稳，是否有异常噪音或振动。检查回转支撑齿面是否有点蚀、断齿、开裂或腐蚀等现象；检查刹车圆盘是否有油污，表面是否平整，有无条纹裂纹；检查制动间隙是否符合标准间隙；检查制动器是否能正常工作，观察制动过程是否平稳，是否有异常噪音或振动。
对于防雷系统，需要检查叶根导电系统连接线是否有松动；检查风轮与机舱座、机舱座与偏航外齿圈防雷接地碳刷是否磨损，弹性钢片弹性是否失效或断裂；检查电涌保护器是否有提示异常。
其他方面，需要检查机舱罩是否有开胶、开裂；检查机舱罩是否有漏水；检查机舱罩天窗、吊物口盖板固定情况；在台风过境时，保证风机始终处于主动对风状态可有效降低风载，从而更好地保证机组安全。风机偏航对风需电网持续供电，因而需在风场升压站侧配备柴油发电机和至少12小时的柴油用量。
3.2台风过境时的措施
台风过境期间，主要靠机组的控制策略保证机组的运行或停机。正常运行风速段，机组可正常运行，对于超过切出风速的风况，机组将自行执行停机动作。台风期间需安排运维人员24小时监控机组，如遇以下情况，执行手动停机，待确认安全后，才能重新启动机组。
?机组频繁切出；
?出现变桨故障或偏航故障；
?震动报警异常停机；
?机组因风向变化快频繁启停机；
?单台机组风向与其他机组风向偏差超过30°；
?接到停电或停机通知。
对于容易报发电机过转速、风轮过转速、机组过功率等故障的的风机采取分段、分步主动停机的策略，在风速达到一定值时主动将风机处于停机状态。
对于台风期间机组停机后很难再达到并网条件的问题，可根据实际情况，经批准后对以下并网转速允许误差、并网前持续同步时间、变桨速率、并网转速、发电机最大空转转速进行临时适当的修改。
3.3台风过境后的检查
对于出现报警的机组，应登机对故障逐一进行排查，确认无误后启动机组运行；对全场机组的检查与维护范围包括塔架与基础、机舱及风轮叶片。
对于塔架与基础，在目视检查的基础上，对机组塔架各段法兰均匀分布的8 件连接螺栓进行扭矩检查，如果发现螺母转动超过20°，则该项剩余的所有螺栓必须重新紧固。此外需要进行接地电阻检查，接电电阻不超过4欧姆。
对于机舱部分，主要是目视检查，目视检查中若发现传动系统固定螺栓划线有位移，需进行发电机与齿轮箱对中。
对于风轮叶片部分，需要在目视检查的基础上，对风轮各法兰（桨叶—变桨轴承、变桨轴承—轮毂、轮毂—主轴法兰）均匀分布的八件连接螺栓进行扭矩检查。
四、结论
台风对于风电场的影响是巨大的，抗击台风是所有沿海风电场必须面对的问题。本文基于笔者的理论基础与实践认识，提出了对于风电机组设计、风电场建设、风电场在台风前后的日常运营的相关建议。只有全行业共同努力，才能保证风电场在台风来临时取得效益安全双丰收。
参考文献
[1]兰志杰, 丁祥. 沿海山地风电场抗台风设计及应对策略[J]. 内燃机与配件, 2018, No.255(03):217-221.
[2]张秀芝. 台风对我国风电开发的影响与对策[M]. 气象出版社, 2010.
作者简介：汤浩然，男，1993年出生，助理工程师，从事风电场日常运维检修