摘要：台风是我国东南沿海常见的灾害天气，其引发的强风、暴雨、风暴潮和雷暴对风电场有着极强的破坏力，随着我国中东南部风电开发的推进，尤其是海上风电的规模化发展，频频来袭的台风对沿海地区风电场造成了巨大的威胁。随着科学技术的发展，台风的预测也越来越精准，本文将基于台风来临前后风况变化的特点，对海上大型风力发电机组的抗台风技术展开研究。
关键词：大型风力发电机组；海上风机；抗台风技术
由于我国海上风资源较为丰富，而且海上风电场建设也不受制于土地的使用，已经逐步成为风电发展的新领域。相对于长江以北地区，我国东南沿海风资源相对丰富，但是这些地区又受到热带气旋的挑战。强度较弱的热带气旋及其外围环流影响的区域，可以给风电场带来较好的经济效益，但是强度较强的热带气旋，会给风电场带来极大的破坏。如果不能很好地针对热带气旋对台风进行设计和运行管理，将可能会带来巨大的经济损失。
一、台风特点分析
与一般的冷空气大风不同，台风是一种破坏力极强的自然灾害，主要形成于热带或副热带海面温度在26℃以上的广阔海面上的热带气旋，是急速旋转并向前移动的大气涡旋。除了具有明显的季节性外，还具有极端风速搞、湍流大、风向突变及阵风变化幅值大等超出风力发电机组设计标准风况的明显特征。
由于台风风速大，湍流强度大，容易造成叶片或者塔筒的失效事故。台风还可以破坏电网，造成风机断电，如果此时变桨系统蓄电池失效，可能造成风机无法顺桨，导致风机事故。而且台风来临时还往往伴随高雷暴，容易导致雷击，这些都是海上风力发电机组的抗台风设计时要考虑的因素。
在抗台风型风力发电机组设计时，台风的特征参数与常态风存在明显的不同：
1)空气密度
常态风：标准取值为1.225kg/m3。台风时，高温高湿低压空气密度低于1.225kg/m3。
台风：GL风机设计标准建议根据气压和风速等级空气密度取值在1.078-1.123kg/m3。Holland模型建议取1.15kg/m3。
2)风切变
常态风为对数风廓线。台风无明确结论，GL风机设计标准建议使用对数风廓线，与常态风相同，但是台风时风廓线和常态大风时期风廓线存在较大差异。
3)风向变化
常态风没有明确说明，GL认为对于经过台风中心风场风向变化为30min改变180°。
2016年‘妮妲’台风强风时风向变化14小时内风向变化超过122deg。风场风速最大时，1h内10min平均风向变化50deg。
4)湍流强度
常态风：A类设计湍流I15=0.18，B类设计湍流I15=0.16，极端风湍流强度取0.11。
台风：GL风机设计标准认为没有确凿证据可证明台风下的湍流强度与正常风条件下有明显的不同，因此可继续沿用IEC61400-1规范里的NTM正常湍流风模型。由于高风速下湍流强度变化很小，可假设纵向湍流强度只与地表粗糙度相关。 但根据多次台风实测数据的分析，台风时湍流强度普遍大于0.11，部分数据超出0.15，少数观察值达到0.20，靠近台风中心时，湍流会突增。
二、海上风机抗台技术
1、台风来临前
台风路径主要受海洋表面温度影响，然而洋流复杂，海水温度变幻莫测，导致台风路径瞬息改变。因此需要基于气象部门发布的台风信息和路径，转换成风电场甚至机位点的台风信息，包括风向、平均风速、极大风速、台风距离机位点的距离等准确数据，并要根据台风的路径及未来的趋势，实时对台风的特性进行分析，智能辨识出不同风电场点的模型参数，为抵御台风提供支撑。最终要保证风机根据台风风向实时调整对风方向，从而减小整机载荷，最大程度上减小台风对风电场的影响。
图1：台风来临前风电场的海域情况
2、台风来临时
在台风登录时，往往会带来良好的风资源，因此需要精准把握风力发电机组进入抗台风模式的最佳时机，在保障风机安全的前提下提高发电效益。
随着台风逼近，风速将达到并超过风机的切出风速，此时风机需切入台风模式，叶片借助控制系统和动力系统进行顺桨，通过控制风轮转速，改产桨叶在整机受力状况和功率输出，之后减速停机。
图2：台风来临时风电机组的减速停机动作
台风来临时，突变风向、瞬变风速和极大湍流对风力发电机组的安全造成极大的威胁。对于已经顺桨停机的风机而言，风向突变意味着主风向从风机的正前方转到侧面，此时风轮叶片受到的攻角越来越大，风机的受风面积随之改变，从而直接威胁到机组安全。
因此，实时偏航对风是风机抗台风技术的关键，在台风来袭时保持风机的偏航功能，风力发电机组根据风向的变化通过偏航系统回转运动，主动偏航，正面迎风顺桨，使主机最大程度的对准台风风向，保证机组及叶片处于受力最小的状态，以降低叶片受损的机率及机组载荷，从而提高机组的可靠性。
图3：台风来临时风电机组的主动保护动作
台风来临期间经常会导致电网断电，在这种情况下，风机将无法保证实时对风，因此大型海上抗台风型风力发电机组一般都需要采用UPS电源或者蓄电池等方法，在电网失电后，对风机的控制系统、变桨系统、偏航系统等关键系统进行供电，保障风机可以在台风来临失实时根据风向变化进行偏航对风，保证风机正对风向。
对于智慧型海上风机，还可实施相应保障机组安全的控制逻辑动作，采用“一机一控”控制模式理念，针对不同地区、风场甚至机位搭载定制化的抗台风控制策略，在超强台风导致电网断电后仍然可以确保风机的变桨系统和偏航系统正常工作，满足风场的冲击要求及孤岛运行要求。
3、台风过境后
随着台风过境，风速逐步降低，当风速低于风机切出风速，风电机组解除台风模式。此时主机根据风向变化偏航，对准风向、叶片开桨，此时风机应迅速启动运行，利用良好的风资源满发运行，捕获更多能量。
当有强台风过境后，在风机启动运行之前，还要用望远镜查看风机的叶片、塔筒等是否受损或变形，根据风机的内部的视频监控系统对内部螺栓、电缆、机舱密封性等进行初步检查，确认风机没有异常后方可正常起机。
结束语
综上所述，当台风正面经过风电场时，风速呈现M型，即台风来临时，风速迅速增大，待到台风眼时，风速减小，体感微风，台风眼后，风速又迅速增大至台风眼来临前，并且伴有极端风向改变。台风眼之前，伴随的雨水较少，台风眼过后第二波大风来临时，雨水量显著增大。当风电场距离台风路径较远时，若风电场位于台风路径“右边”时，机组风向呈现顺时针变化，若风电场位于台风路径“左边”时，机组风向呈现逆时针变化。
根据数据统计，台风经过前后，风电场整体发电量提升可达到200%以上甚至更多，我国东南沿海区域是我国未来海上风力发电的重要区域，但由于台风频发，因此需要不断跟踪和搜集台风的实测数据，通过对台风数据的深入仔细研究，制定先进的抗台风应对策略。在保证风机安全可靠的前提下，能够更加合理的利用台风，提高风场的经济效益。