评估提供电网频率支撑风电机组的整体结构载荷响应

《Electric Power Systems Research》：Evaluation of global structural load responses in wind turbines providing grid frequency support

　　

•耦合的Simulink-OpenFAST框架将频率备用（FCR）控制与结构载荷关联。
•归一化载荷指标经与基于雨流计数的疲劳损伤（DEL）进行验证。
•轴承和塔筒的变异性受桨距控制模式主导。
•结构许用性图谱揭示了安全的风电场备用运行区域。
•可行风电场备用区域随电网频率严重程度的不同而变化。

引言
风力发电已成为全球增长最快的可再生能源之一，其发展得益于脱碳政策、成本下降以及风机技术的进步[[1]、[2]、[3]]。自2010年以来，海上风电平准化度电成本（LCOE）已下降超过48%，这主要归功于更大直径的转子、更高的塔筒以及更高效的电力电子装置[[2]、[3]、[4]、[5]]。据全球风能理事会（GWEC）数据，全球累计风电装机容量最近已突破1太瓦（TW），并预测到2030年还将新增近1太瓦装机，这凸显了风电在气候和能源安全目标中的核心地位[6]。

风电资源具有分散式和波动性的发电特征，使其出力更难预测[7,8]。与此同时，传统上提供惯性和频率响应的常规同步发电机正在被逐步替代[9]。因此，系统整体惯性正在降低，这对频率稳定性构成挑战，并增加了对辅助服务的需求[10,11]。

随着先进电力电子技术和控制策略的发展，风力机不再仅仅是清洁能源的生产者，还能够快速调节其输出功率，从而实现积极参与辅助服务[[12]、[13]、[14]、[15]]，使风电机组在风电渗透率不断提高的情况下成为系统稳定性的积极贡献者[7,9,11]。

与此演变并行的是，欧洲电力市场——例如丹麦[16]——已经在调整其辅助服务框架，以使可再生能源发电商能够参与。特别是，风电场被允许参与频率备用（FCR）和频率恢复备用（aFRR/mFRR），从而使基于变流器的电源能够作出贡献[11,15]。因此，研究日益关注风电机组同时提供上行和下行频率调节的技术能力。现代变速风电机组配备全变流器接口，在技术上能够从最大功率跟踪中卸载，并同时实现上行调节（在频率低于额定值时增加功率输出）和下行调节（在频率高于额定值时减少输出）[17]。已有多种控制策略被提出，包括基于下垂的有功功率控制、动能释放（合成惯性）和基于桨距角的卸载策略，这些研究证明风电机组可以可靠地模拟常规发电机的行为[12,14,18]。虽然此类参与增强了电网韧性并为运营商创造了新的收入机会，但也可能对关键结构部件施加不可忽视的附加载荷，从而引发对长期可靠性、寿命缩短和维护成本的担忧[[19]、[20]、[21]]。叶片、塔筒和主轴承等主要部件的结构健康尤为关键，因为这些子系统是海上和陆上运营中的主要成本驱动因素[[20]、[21]、[22]]。

已有若干研究探讨了频率支撑对风电机组结构载荷的影响。文献[21]通过气动弹性仿真进行了早期的综合评估，表明基于桨距和转矩的卸载策略在不同部件上产生不同的载荷模式。文献[23]随后探索了基于超速的频率调节控制策略，表明虽然它们能增强功率响应，但可能显著增加疲劳载荷，特别是传动链部件的疲劳载荷。文献[20]的作者提供了更详细的定量分析，估算了频率备用提供相关的主轴承寿命缩短情况，强调即使适度的备用参与也可能加速磨损。在此基础上，文献[24]引入了一种载荷感知的市场参与策略，在经济优化框架中明确考虑了机械退化。总体而言，这些研究为辅助服务提供与风机力学之间的耦合关系提供了有价值的见解，强调了控制策略、频率响应与结构应力之间复杂的关系。

然而，现有研究在两个关键方面仍存在局限性。首先，当前分析依赖于理想化的频率信号和风况条件，未能利用实测的电网频率和风速时间序列来量化真实运行环境下的结构载荷。其次，它们聚焦于孤立部件或单一调节模式，而非针对公用事业级参考风电机组同时提供上行和下行调节的塔筒、主轴承和叶片载荷的统一评估。弥补这些空白对于为风机运营商和系统规划者提供辅助服务参与的定量结构基础至关重要，这也是对该权衡进行任何未来经济评估的必要输入。

为此，本文的主要贡献包括三个方面：（i）我们针对一台公用事业级参考风电机组，在真实的风况和电网频率条件下，通过基于转矩的参考跟踪有功功率控制器配合基于下垂的FCR激活机制，向电网提供备用，对其叶片、塔筒和主轴承载荷进行了全面量化。（ii）我们针对真实频率事件和风速条件下不同的备用提供策略进行了比较评估。（iii）我们推导了基于规则的实用建议，用于选择仍处于结构许用性限制范围内的备用水平，支持实际运行中的决策。

虽然该分析是针对特定参考风电机组进行的，以便与既有文献进行可比性分析，但所提出的归一化载荷变化框架在设计上具有规模无关的适用性，并将其作为工作假设：由于所有指标均相对于特定部件和特定运行点的基准进行定义，而非相对于绝对载荷量级，我们预期该结构许用性评估可以推广到不同功率等级风电机组，尽管这一假设尚未得到测试，有待在未来工作中进行验证。通过识别哪些运行模式具有最低的结构风险，该框架还为机队层面的备用调度提供了指导，这是一个超越先前研究单台风机关注范围的系统运行问题。

本文其余部分组织如下。第2节介绍方法论，包括仿真环境、备用激活策略以及选择分析结构部件的理由，连同仿真流程和载荷分析指标。第3节呈现结果，突出不同风速和备用条件下的载荷效果。第4节在运行决策的背景下讨论研究结果。研究结论在第5节中给出。

方法节选

方法论方法
该方法论的核心在于建立一个工作流程，将风电机组的市场驱动型控制策略与其结构响应联系起来。随后对所得载荷信号进行后处理，以推导归一化的载荷变化指标，并将这些指标映射到疲劳相关指标中，最终整合到一个统一的结构许用性框架中。所提出方法论的整体工作流程如图1所示。

仿真流程
仿真流程如图1所示。

测试算例与数值结果
为验证所提出的方法论，本文考虑了一个基于单台孤立海上风电机组的测试算例。该风电机组采用NREL 5兆瓦参考风电机组模型，用于海上系统开发[36]。该风电机组模型已被广泛应用于载荷和控制研究文献中[20,21,23,24,[47]、[48]、[49]]，其选取基于三个互补的考量。首先，它便于与先前关于频率备用提供的研究进行直接对比[...

热图表示与结构筛选映射
第3.1节中的时域分析表明，备用引起的结构效应是准静态的且具有模式依赖性，但不可避免地仅限于所选风速和备用水平。为了在整个运行包线范围内推广这些观察结果，归一化载荷变化指标（ΔRMS、Δσ、ΔPeak）针对每种风速和备用功率组合进行评估，并以二维热图形式呈现，针对每种风速和备用功率组合进行评估[...

讨论与结论
风电机组日益增加地参与频率备用（FCR）市场，引发了人们对超出传统纯发电运行模式的结构载荷的合理担忧。本研究结果表明，备用提供主要通过气动平衡的准静态偏移影响结构响应，而湍流仍然是随机载荷波动的主导驱动因素。这一分离为解释FCR引起的...提供了机理基础。

资助
本研究在SALOME项目框架内开展，该项目由法国-弗拉芒地区间合作计划支持，属于欧洲区域合作（ETC）倡议的一部分。

CRediT作者贡献声明
Jo?o-Victor-Torres-A.F. Dutra：初稿撰写、可视化、验证、软件、方法论、调查研究、形式分析、数据管理、概念设计。Seyyed Ahmad Hosseini：审校与编辑、监督指导、方法论、资金获取、概念设计。Fran?ois Vallée：审校与编辑、监督指导、项目管理、资金获取。Benjamin Mei：审校与编辑、验证、方法论、形式分析。Jean-Fran?ois Toubeau：Jo?o-Victor-Torres-A.F. Dutra|Seyyed Ahmad Hosseini|Fran?ois Vallée|Benjamin Mei|Jean-Fran?ois Toubeau