如何延长风力涡轮机的使用寿命？

风力涡轮机（下称风机）自投入使用之日起，在其整个生命周期内必须承受持续的机械和环境应力.随着时间的推移，应力不断累积，会对装置造成不同程度的疲劳。这将会导致风机在其生命周期内过早出现组件和结构性的失能。

但是，我们可以利用先进的控制软件减轻部分应力，这些控制软件不仅可以延长风机的使用寿命，还可以增加发电量。相较于过早介入机械维修或组件升级而言，这类控制策略更省时省力。

减轻载荷 —— 推力限制和基于湍流的降额

风机载荷的主要来源是气动力，而气动力会随着风速、风向和控制器响应的变化而变化。这些载荷可能会加速风机疲劳，但可通过控制系统解决。

减轻载荷的一种常见方法是依赖推力限制和基于湍流的降额算法，从而对抗极端载荷和疲劳载荷。

推力限制器可根据风速估算推力。当推力估计值较高（即会增加风机载荷和应力）时，桨距角将增大。此时前后塔架载荷将减少至多 5%，但会略微降低年发电量（AEP）。

推力限制器还可以配合湍流比例推力限制器使用。在该场景下，推力限制可随风湍流的增加而降低。与静态推力限制控制相比，该方案对 AEP 的影响更低。

最后，基于湍流的降额系统可在高湍流期间降低功率输出，从而降低极端载荷的应力。其原理是根据机舱加速度和预估风力估算湍流。

减轻载荷 —— 减少传动系统振荡

风速变化、湍流和校准失准是造成风机传动系统振荡的部分因素。反过来说，这些振荡会导致传动系统的疲劳载荷增大。

为解决此问题，风电厂可以利用阻尼器提取传动系统振荡的本征频率。并将据此生成的反相振荡（或传动系统阻尼功率）添加为控制系统的功率设定点。这样便形成了一个发电机转矩设定点，能够抑制传动系统的本征频率。传动系统阻尼解决方案至多可以降低 10% 的传动系统疲劳载荷。

减轻载荷 —— 减少塔架振荡

无论是由湍流、共振还是叶片不平衡引起的塔架振荡，都会增加塔架的疲劳载荷，缩短风机的使用寿命。因此塔架阻尼器解决方案可以帮助风电厂抵消这种振荡。其原理是利用塔顶加速度计进行横向和轴向测量。

对于横向，系统将生成反相功率振荡，并将其添加到功率设定点中。对于轴向，则生成反相变桨振荡，将其添加到变桨设定点中。由此形成的发电机转矩设定点和变桨设定点可抑制塔架本征频率，至多减少 8% 的疲劳载荷。

涡轮机优化 —— 偏航和变桨对准

偏航失准或变桨失准造成的定位不当会显著增加风机的疲劳载荷。偏航失准可通过自校准偏航控制算法予以纠正，该算法可持续提供偏航校准结果。变桨失准可应用转子不平衡检测算法，自动纠正变桨设定点。利用先进的控制软件纠正这些失准，将减少系统磨损，延长风机的使用寿命，同时提高输出电量。

平衡功率输出与涡轮机磨损的关系

在解决偏航或变桨失准、传动系统或塔架振荡等应力性挑战时，往往没有明显的功率输出均衡需求。利用先进的控制技术，风电厂可以在不降低功率输出的情况下延长风机的使用寿命。

然而在实施推力限制解决方案时可能会影响功率输出，但是依托先进的控制系统流程，风电厂可以妥善地平衡风机功率输出与减轻极端载荷和疲劳载荷之间的关系。

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