为了追求更低的度电成本，通过多种途径降低部件成本或提升发电量是目前风电行业努力的两个主要方向。其中，增大风轮直径可以有效提升发电量，但同时也会导致叶片和主机各个部件载荷的急剧上升，人们通常在部件成本控制和发电量提升之间做着艰难的平衡。此时，如何通过一定的途径实现极限和疲劳载荷的降低，从而在保证发电量提升的同时，部件成本不会因为载荷大幅提升而急剧增加?本文就是沿着这个思路做出的一些尝试和研究。
以10MW风机模型和DTU气弹自研程序仿真得到的全工况载荷为基础，本文研究建立了一套带有基本控制功能的后缘襟翼系统。研究表明，这套系统具有潜在的极限工况降载效应，包括来自叶片，主轴承和塔顶的极限载荷，而同时并不会对疲劳载荷和功率产生影响。结合前人已经建立的后缘襟翼控制器降低疲劳载荷的功能，本文得到了一整套在风轮增大时，可以同步实现极限和疲劳降载功能的控制系统。
1 问题与背景
随着风轮尺寸的快速增加，近年160m甚至更大的风轮直径已经实现了商业化。技术发展的趋势主要集中在降低度电成本。如果以降低度电成本为主要目标，则目前风电行业努力的方向如图1所示，一些方向仍未处于研究阶段，一些已经逐步进入商业化视野，一旦可靠性和收益得到验证，技术成熟度就迅速加快，并快速在行业中得到推广和应用。
本文涉及的是其中一个焦点，即通过大幅降低动态载荷来实现部件成本的降低。降低动态载荷通常通过更智能的变桨控制来实现，其基础是现有相对成熟的大MW风机概念设计和气弹分析，小尺寸风洞实验数据和风场测试。截止目前，数值和实验分析多集中在通过后缘襟翼实现显著降低疲劳载荷的方向。现有较为成熟的气弹分析工具可以支持模拟后缘襟翼结构，尽管也有少数研究极限降载的文献，但实现全工况极限载荷降低的功能仍未见有系统研究。
图1 低度电成本解决方案路径
本文在对后缘襟翼进行降载分析的同时，也考虑了从现有第三方全工况认证的角度所需模拟的项目。在后缘襟翼的性能和功能测试方面，前人已经取得了一些重要的进展;建立了后缘襟翼系统型式测试的方法，同时前人的工作也显示了后缘襟翼在降低疲劳载荷方面有较大潜力。后缘襟翼的挂机测试使得后缘襟翼系统在向实际风机应用且满足行业标准的方向上迈进了一大步。
近10年来，人们对后缘襟翼的实际应用，开展了不同模型，不同控制手段，不同结构形式和载荷工况的研究。本文采用基本控制策略，对后缘襟翼的实际工况应用进行了气弹载荷模拟。
2 研究基础——模型与载荷
在DTU的气弹程序HAWC2中应用了DTU10MW RWT。 DTU 10MW RWT是具有代表性的多兆瓦风机模型，在气动控制对比研究中得到了广泛应用。当叶片长度增大5%，建模分析得到其年发电量提升了3.4%。但与此同时，叶根挥舞弯矩增大了19%，叶尖净空弯矩增大了10%，塔底俯仰弯矩增大了12%。叶根挥舞疲劳弯矩增大了10%。叶片的气动和结构特性与原叶片保持不变。5%的叶片加长，对于采用后缘襟翼降载的可实现性具有较好的应用价值。图1给出了当风轮加大5%和10%时的功率曲线对比情况。为了考虑风轮增大后，叶片在原整机平台应用的实际性，分析时考虑了最大推力约束，即采用原始变桨策略通过强制增大风轮后的风机将最大推力限制在风轮增大前风机的稳态水平。后缘襟翼结构主要参考前人研究成果，展向布置在叶尖至距离叶尖的30%区域和弦长布置在叶片后缘，后缘襟翼长度为10%的弦长，许用后缘襟翼角度范围：±15度。
图2 参考风机和增大风轮5%和10%的功率曲线对比
设计载荷工况参考IEC61400-1第三版，在认证流程中代表通用设计工况。总体工况的参数设置情况参见原文的参考文献14。本文选择了具有载荷敏感代表性的主要部件进行研究，同时考虑了疲劳分析的相应参数。比如将变桨轴承损伤与变桨和后缘襟翼行为联合进行考虑。采用ATE后缘襟翼动态失速模型，考察了后缘襟翼应用可能存在的气动不稳定问题。采用Ellipsys2D程序，通过2D模拟引入后缘襟翼的变形，考虑稳态升力、阻力和力矩系数的变化情况。
3 控制器
后缘襟翼控制器采用基本的切出策略，并建立在叶根挥舞弯矩测量数据的基础上。这个策略十分接近目前风机实际应用的简单且有效的控制策略。图2和图3分别展示了叶根挥舞极限弯矩在正常发电工况和故障工况的统计情况。
图3 增大5%风轮直径的柔性后缘襟翼控制系统对极限叶片挥舞弯矩的调控(正常发电工况)
控制器的目标是使得故障工况的叶片极限载荷尽量接近正常发电工况的载荷水平(DLC1.2)从而降低极限设计载荷。控制系统需要实现如下功能：当风机三个叶片中的任何一个叶片挥舞叶根弯矩达到某个设定的阈值时，则三个叶片上的所有后缘襟翼同步切换到指定的状态，遵循动态激励响应，实现瞬时升力的降低。当三个叶片的叶根挥舞极限弯矩输入值低于阈值时，后缘襟翼又会切换回0度。阈值，动态伺服和停机工况的行为通过全设计工况的参数形式进行定义。
图4 增大5%风轮直径的柔性后缘襟翼控制系统对极限叶片挥舞弯矩的调控(故障工况)
结果表明，(后缘襟翼控制系统的作动器)动态激励(一阶LP滤波的时间常量)与阈值密切相关。通过选取一个优化的值，使得DLC1.2工况时不会切出，从而不会影响发电量。对于停机工况(6.X)，为了更有效的降低极限载荷，选择了一个第2低的阈值。极限工况后缘襟翼控制结构如图4所示。
图5 联合后缘襟翼切出极限载荷控制器结构
此外，为了降低额定功率情况的疲劳载荷，采用了一种独立后缘襟翼 PD(proportional Derivative)反馈的控制器。这主要考虑到大部分通道(本文提到的通道，也可理解为风机的不同部件)的疲劳寿命主要是由全部载荷工况贡献的。控制器的输入值仍然是挥舞叶根弯矩，对后缘襟翼行为控制旨在降低载荷的大小和震荡。在输入信号中，采用高通滤波器，以避免控制器产生稳态低频变异。PD增益初始值被大致调谐，采用的是一种闭环式的线性状态-空间模型。增益优化值和(后缘襟翼控制系统的作动器)激励时间常量通过DLC1.2工况的参数化研究进行识别。我们知道DLC1.2是疲劳载荷的主要贡献工况。基于不同的阈值包络，疲劳控控制器和极限控制器是解耦的。疲劳控制器只有当叶根疲劳挥舞弯矩达到根据DLC1.2定义的阈值才有效，此后超过那个阈值，只有极限控制器是有效的。疲劳控制器的结构如图5所示。
图6 独立挥舞PD疲劳载荷控制器结构
4 分析结果
采用极限控制器后，在感兴趣的各个载荷通道均得到较为可观的极限载荷降低(载荷通道缩写见表1)，包括主轴承，叶片，塔顶等。图6对比显示了整个极限载荷水平降低情况，表2给出了对应的载荷工况。控制器实现了后缘襟翼系统只有当极限载荷超载时生效的功能。
图7给出了后缘襟翼角度与一个具有代表性的叶根挥舞弯矩时间序列信号。采用ATE后缘襟翼系统进行切出控制,切换方法在极限降载作用上的有效性得到了验证。后缘襟翼控制主要影响的是叶根挥舞和摆阵弯矩，叶尖净空弯矩，机舱偏航弯矩，主轴承偏航弯矩。塔架相关弯矩和机舱翻滚弯矩(My)表现为增长性的降低，而主轴承偏航弯矩和扭转弯矩，叶根扭转弯矩表现为轻微的上升。这种控制方式对疲劳和发电量没有影响。从控制器参数的一些研究来看，可以得到如下结论：一是，就载荷降低机理来说，降载潜在主要受限于系统的动态特征而非有效的升力系数改变。通过对大部分工况的观察，峰值载荷发生在切出控制已经激活之后。这就是说，后缘襟翼角的快速改变所对应的动态效应主要是阈值和伺服时间常量选择综合作用的结果，此时，来流的动态性能是主导因素。观察到在某个点之后，瞬态气动力的降低伴随最终载荷的降低。但这个由快速后缘襟翼运动引起的瞬态现象停止时，就无法进一步实现降载作用。这个在一定程度上也解释了，为什么疲劳降载方式目前在极限降载不是那么有效的原因。也就是说，当后缘襟翼执行了叶根挥舞弯矩反馈的响应，在短时间内，当前动态余量不足以进一步降低峰值载荷。
表1所考虑的载荷通道列表
图7 与无后缘襟翼情况相比不同通道极限载荷降低情况
使用疲劳载荷控制器后表明，在感兴趣的通道上，疲劳载荷得到较为可观的载荷降低，包括叶片，主轴承和塔顶载荷。整个疲劳载荷降载水平对比如图8所示。图9给出了一个叶根挥舞弯矩信号的代表性时间序列和对应的后缘襟翼角。目前对独立后缘襟翼的叶根挥舞弯矩信号基于高通滤波器的PD控制表明，该控制策略主要影响叶根挥舞弯矩，主轴承弯矩;对塔底弯矩有较低程度的降低，而叶片扭矩有8%左右的显著增加。大部分感兴趣的工况或通道达到了预期的降载水平，尽管对于叶片摆阵弯矩和扭矩没有表现出积极的降载效应。研究表明，我们仍需要在发电量和疲劳降载之间寻找一个平衡，因为进一步降低疲劳载荷，就意味有发电量损失。降载控制策略也需要在不同通道之间寻找一个平衡，因为在某个点之后，当增大PD增益时，一些通道就表现出载荷增加的迹象。
表2 对比极限工况及其相应的载荷工况
图8 DLC2.2在26m/s时在带有后缘襟翼(红色)的代表性时间序列和叶根挥舞弯矩信号(蓝色)极限切出控制(襟翼)角度变化情况
图9 与不带后缘襟翼的情况相比，各通道的疲劳载荷降低情况
图10 DLC1.2在26m/s时带有后缘襟翼(红色)的代表性时间和叶片挥舞叶根弯矩信号(蓝色)疲劳控制(襟翼)角度变化情况
5 结论与展望
本文给出了一套后缘襟翼系统，该系统的应用可以使得风机部分感兴趣的通道(部件)实现比较可观的极限载荷和疲劳载荷的降低，但不会降低发电量。分析主要是针对风轮增大5%时，采用后缘襟翼系统得到的，较大程度降低了由于风轮增大而导致的载荷提升。特别的，极限叶根挥舞弯矩降低了(没有后缘襟翼系统载荷增大19%)12%，叶尖净空载荷降低了12%(不采用后缘襟翼系统则会增大10%)，而叶根挥舞疲劳弯矩降低了11%(不用该系统载荷增大了10%)。因此，在放大风轮时，这个系统具有潜在应用优势。
需要进一步关注和研究的内容是：叶片截面载荷的细节评估，控制器应用可能导致其他相应通道的载荷上升。
