風電機組疲勞載荷影響因素分析（二）

許移慶

（上海電氣風電設備有限公司，上海 200241）

風電機組疲勞載荷影響因素分析（二）

許移慶

（上海電氣風電設備有限公司，上海 200241）

風電機組設計主要由疲勞載荷和極限載荷決定，而風電機組運行環境的不確定性和不穩定性使得疲勞載荷對一些部件的設計尤為重要。影響疲勞載荷的因素很多，本文主要從不同設計運行風速范圍和不同設計湍流強度等級兩個方面進行比較，分析了兩者各自對疲勞載荷影響的程度。

風電機組；等效疲勞載荷；運行風速范圍；湍流強度

0 引言

風電機組的載荷主要分疲勞載荷和極限載荷兩種。風電機組的運行環境狀況比較惡劣，要使其在惡劣的環境下運行20年，須對疲勞提出較高的要求。另外，風的不確定性也會影響疲勞載荷分析的精確性。各種因素對疲勞載荷的影響程度不盡相同，為了更好地了解這些因素對風電機組疲勞載荷設計的影響，本文通過大量的計算數據對這些可能的影響因素進行了比較分析。

1 等效疲勞載荷

風電機組疲勞載荷分析形式主要有三種：實時的時間序列、載荷持續分布（LDD）和等效疲勞載荷。不同的部件設計要求使用不同的疲勞載荷形式，其中等效疲勞載荷是最簡單的一種，在初步設計時用此方法比較方便，可以比較快地知道疲勞載荷是否滿足要求。

在風電機組中，等效疲勞載荷是根據實時的仿真時間序列（其中有幾個是根據GL（德國船級社）規范[1]或IEC標準[2]直接進行計算的），通過雨流計數法（RFC）和瑞利（Rayleigh）分布得到的，本文主要對比分析等效疲勞載荷。

2 不同設計運行風速范圍對疲勞載荷的影響

目前，風電機組設計的正常運行風速范圍一般在3m/s－25m/s之間，對一些低風速區的風電機組，也有在3m/s－20m/s、3m/s－22m/s等范圍內的。針對這種情況，本文主要對比了兩臺不同設計等級的多兆瓦級風電機組在3m/ s—25m/s正常運行風速范圍和3m/s—20m/s正常運行風速范圍之間的等效疲勞載荷的差異，分析了不同正常運行風速范圍對等效疲勞載荷的影響，如表1、表2所示。

從兩種不同機型的對比中可以看出，正常運行風速范圍的變化對等效疲勞載荷影響不大，但不同的設計等級也有不同的變化。對低風速區的風電機組，如IEC III類及以下風區，當風速范圍從3m/s－25m/s改為3m/s－20m/s時，等效疲勞載荷僅降低了1%－2%，幾乎沒有什么變化。對高風速區的風電機組，如II類及以上風區，當風速范圍從3m/s－25m/s改為3m/s－20m/s時，等效疲勞載荷降低得多一些，但大部分也在1%－3%之間，變化也不是很大。其原因主要是根據瑞利分布，風速在20m/s－25m/s之間所占的時間比較少，而風區越低，所占的時間會更少。

3 不同湍流強度對疲勞載荷的影響

根據GL規范[1]或IEC標準[2]，風電機組的湍流強度等級一般有A、B兩種，新的IEC版本中也有C等級的湍流強度等級。在風電機組設計中，起控制作用的載荷主要是疲勞載荷，而湍流強度等級對疲勞載荷的影響比較大，因此通過分析不同的湍流強度等級的疲勞載荷，對風電機組的優化設計幫助比較大。本文主要對比了兩臺不同設計等級的多兆級瓦風電機組在A、B不同湍流強度等級時的等效疲勞載荷，分析了不同湍流強度等級對等效疲勞的影響，如表3、表4所示。

從兩款不同標準IEC設計等級的風電機組A、B類湍流強度的對比可以發現，湍流強度降一個等級，等效疲勞載荷基本降低10%左右。因此，湍流強度對等效疲勞載荷的影響非常大[3]。另外，由于IEC II類風電機組的風輪比IEC III類風電機組的風輪要小，從對比的結果中還可以看出同樣是降低一個湍流強度等級，但風輪直徑小的相比風輪直徑大的等效疲勞載荷降低要小一些。因此，風輪直徑越大，同樣前提條件下，等效疲勞載荷降低要多一些。

表1 標準IEC III類設計等級不同正常運行風速范圍的比較

表2 標準IEC II類設計等級不同正常運行風速范圍的比較

表3 標準IEC II類設計等級不同湍流等級的比較

表4 標準IEC III類設計等級不同湍流等級的比較

4 結論

本文主要從不同設計正常運行風速范圍和不同設計湍流強度等級兩個方面對等效疲勞載荷的影響進行了分析比較。不同設計的正常運行風速范圍對等效疲勞載荷的影響相對來說比較小，基本在3%以內，大部分在1%左右。不同設計湍流強度等級對等效疲勞載荷的影響相對來說要大很多，基本上降一個湍流強度等級，等效疲勞載荷就會相應的降低10%。另外，風輪直徑越大，降低湍流強度等級對降低等效疲勞載荷的作用越明顯。

[1] Germanischer Lloyd WindEnergic GmbH. Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Suppl 2004[M].Heydorn Druckerei und Vetersen/Germany,2003.

[2] IEC -61400-1: Wind turbine generator systems-Part 1: Safety requirements[S].1998.

[3]高學海,王華.風電機組轉盤軸承的加速疲勞壽命試驗[J].風能,2 012(11):76-80.

Analysis of Impact Factors on Wind Turbine Fatigue Loads (Ⅱ)

Xu Yiqing
(Shanghai Electric Windpower Equipment Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

Wind turbine design is mainly dominated by fatigue loads and extreme loads. Fatigue loads are especially important for some components design because of uncertainty and instability of wind turbine operation environment. There are many impact factors for wind turbine fatigue loads. This paper mostly compared two impact factors, namely different design operation wind speed range and different design turbulence intensity classes, and analyzed their effect extent for fatigue loads.

wind turbine; equivalent fatigue load; operation wind speed range; turbulence intensity

TM614

A

1674-9219(2013)09-0090-03

2012-12-27。

許移慶（1978-），男，碩士，工程師，長期從事風力發電方面的工作。