風電機組疲勞載荷影響因素分析（三）

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（三）

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 不同偏航誤差對疲勞載荷的影響

根據GL規范[1]和IEC標準[2]，疲勞載荷主要來自DLC1.2正常運行工況。對疲勞載荷工況和極限載荷工況仿真時，都必須考慮一定的偏航誤差角度。對DLC1.2工況，一般需要考慮±8°的偏航誤差角度。通過我們的仿真結果分析，如果不考慮±8°的偏航誤差角度，則等效疲勞載荷基本沒有什么變化。表1是對某款多兆瓦級風電機組在考慮±8°偏航誤差和不考慮偏航誤差下等效疲勞載荷的對比，我們同時也對其他不同型號的多兆瓦級風電機組在考慮±8° 偏航誤差和不考慮偏航誤差下的等效疲勞載荷進行了對比，對比結果都差不多，即考慮偏航誤差時等效疲勞載荷有所降低，但降低的幅度非常小，幾乎沒有什么變化。因此，偏航誤差對等效疲勞載荷的影響非常小。

3 不同風傾斜角對疲勞載荷的影響

表1 不同偏航誤差對比

表2 標準IEC III類設計等級不同風傾斜角對比

表3 標準IEC III類設計等級不同風傾斜角對比

根據GL規范[1]和IEC標準[2]，對于陸上風電機組一般需考慮向上8°的風傾斜角，而對于海上風電機組一般不考慮風傾斜角。但對于實際的風電場，由于地形的復雜性，有時風傾斜角可能大于8°，有時風傾斜角也可能小于8°。表2對兩款多兆瓦級、不同設計等級風電機組在向上風傾斜角為0°、10°和20°時進行了計算，對比結果如表2所示。

從表3、表4、表5的對比結果可以看出，風傾斜角的變化主要影響變槳系統和驅動鏈，特別是變槳系統，隨著風傾斜角的增大，變槳系統和驅動鏈的疲勞載荷會增加。風傾斜角的變化對風電機組其他系統的影響不是很大，但總體來說等效疲勞載荷會隨著風傾斜角的增大而增大。

表4 標準IEC II類設計等級不同風傾斜角對比

表5 標準IEC II類設計等級不同風傾斜角對比

4 不同空氣密度對疲勞載荷的影響

在風電機組的原始設計時，空氣密度一般按標準空氣密度，即1.225kg/m3進行計算，但實際風電場中空氣密度往往比標準空氣密度要低。為了分析空氣密度的變化對疲勞載荷的影響，我們分別對兩款多兆瓦級、不同設計等級風電機組在1.225kg/m3、1.000kg/m3、0.800kg/m3三種不同空氣密度下進行了計算，比較結果如表6、表7、表8、表9所示。

從對兩種風電機組、兩種不同空氣密度與標準空氣密度的對比，我們可以發現空氣密度對等效疲勞載荷影響非常大，而且空氣密度對等效疲勞載荷的影響幾乎成線性的關系，只是降低的幅度比空氣密度降低的幅度要小一些。另外，由于風電機組大小的不同，空氣密度變化對個別載荷分量的影響不盡相同，如對變槳驅動力矩Mx、驅動鏈扭矩Mz、推力Fz等會隨著風輪直徑的增大而降低得更多或更少。

5 結論

本文主要從不同偏航誤差、不同風傾斜角和不同空氣密度三個方面分析了它們對等效疲勞載荷的影響。三個因素中偏航誤差對等效疲勞載荷的影響最小，在設計時幾乎可以忽略。風傾斜角對變槳系統和驅動鏈等效疲勞載荷有一定的影響，特別是對變槳系統影響較大。三個因素中空氣密度對等效疲勞載荷的影響最大，幾乎與空氣密度的變化成線性關系[3]。

本系列文章中分析了不同因素對風電機組疲勞載荷的影響，由于都是針對具體機型進行的對比分析，因此不能

代表普遍現象，一些分析結果僅供參考。

表6 標準IEC III類設計等級不同空氣密度對比

表7 標準IEC III類設計等級不同空氣密度對比

表8 標準IEC II類設計等級不同空氣密度對比

表9 標準IEC II類設計等級不同空氣密度對比

[1]Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH.Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Suppl 2004[S]. Heydorn Druckerei und Verlag,Uetersen/Germany,2003.

[2]IEC 61400-1:1999-02 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 (Ⅲ)

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. ftere are many impact factors for wind turbine fatigue loads. ftis paper mostly compared two impact factors, namely diferent design operation wind speed range and diferent design turbulence intensity classes, and analyzed their efect extent for fatigue loads.

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

TM614

A

1674-9219(2013)10-0082-05

2013-02-27。

許移慶（1978-），男，碩士，工程師，長期從事風力發電方面的工作。