葉片覆冰對風電機組的影響﹡

文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

葉片覆冰對風電機組的影響﹡

文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

我國幅員遼闊，南北跨度大，部分風電場處于濕度大、氣溫低的環(huán)境中，葉片結(jié)冰就成為必須要考慮的因素。葉片結(jié)冰引起風電機組葉片的氣動性能改變，導(dǎo)致風電機組發(fā)電量降低，同時結(jié)冰質(zhì)量分布不均勻會引起不平衡載荷，給風電機組的設(shè)計提出新的要求，此外，葉片拋冰還會對人員安全造成較大的隱患。國內(nèi)對風電機組葉片覆冰的研究不多，李聲茂等基于二維定常不可壓縮流體的N－S方程，引入離散相DPM模型，通過數(shù)值模擬計算了不同攻角下的翼型表面結(jié)冰分布情況。張聘亭等使用CFD軟件，基于S－A湍流模型，數(shù)值模擬不同覆冰形態(tài)、厚度下的靜、動態(tài)流場，研究了不同覆冰狀態(tài)下的風電機組翼型靜、動態(tài)失速特性。何玉林等研究了覆冰對風電機組葉片翼型、功率以及年發(fā)電量的影響，證明了覆冰造成翼型的升力降低、阻力增加導(dǎo)致發(fā)電量損失。現(xiàn)有文獻僅考慮了葉片覆冰后質(zhì)量、翼型變化對葉片氣動性能以及對風電機組性能的影響，但未考慮葉片覆冰后對風電機組載荷的影響。

本文綜合考慮覆冰對葉片質(zhì)量分布和葉片氣動性能的影響，基于Bladed軟件建立風電機組模型，翼型數(shù)據(jù)采用懲罰因子修正并外推，質(zhì)量分布按照GL標準中規(guī)定方式計算，采用NWP風速模型，研究風電機組葉根以及輪轂中心處穩(wěn)態(tài)風速作用下的載荷變化規(guī)律與統(tǒng)計特性，為風電機組設(shè)計以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應(yīng)提供參考。

覆冰后葉片的氣動性能

葉片覆冰的形狀以及長度會跟隨環(huán)境條件變化，在一定攻角范圍內(nèi)，翼型表面的結(jié)冰面積隨翼型的迎風面積、風速以及空氣中水滴流量的增加而增加，在極端條件下，覆冰面積甚至可達30%。覆冰后葉片翼型改變致使風電機組輸出功率降低，嚴重時會致使風電機組停機。研究覆冰后翼型的變化對風電機組載荷以及功率輸出具有重要意義。

圖1 葉片覆冰的分布方式

一、覆冰對葉片質(zhì)量影響

風電機組葉片上的冰分布方式不規(guī)則，依據(jù)GL2003標準，需要分別考慮三葉片覆冰以及兩葉片覆冰的情況，假定冰的質(zhì)量分布在前緣，線密度為μE，采用的覆冰方式如圖1所示。

從風輪旋轉(zhuǎn)中心位置開始到風輪半徑1/2處，冰的線密度從0線性增長到μE；風輪半徑1/2處到風輪外緣，冰的線密度為常數(shù)μE。按照下式進行計算：

式中：μE為前緣結(jié)冰的線密度，kg/m；

ρE為冰密度，700kg/m3；

R：風輪半徑，m；

R1：1m，m；

cmax：最大弦長，m；

cmin：由葉片外形輪廓線性推算得到的葉尖弦長，m。

二、覆冰對翼型的影響

覆冰后，葉片的外形發(fā)生變化，導(dǎo)致翼型升力系數(shù)、阻力系數(shù)在原攻角位置發(fā)生變化，本文使用懲罰因子修正的方法對翼型原有小攻角范圍的數(shù)據(jù)進行修正，使其更符合葉片覆冰后翼型的實際情況，其方程如下：

升、阻力系數(shù)懲罰因子是通過大量實驗數(shù)據(jù)擬合得到，其方程為：

式中：α為攻角；

翼型小攻角下的氣動參數(shù)數(shù)據(jù)通常使用風洞試驗獲得，風洞試驗往往只會測失速攻角范圍內(nèi)或者超出失速攻角一定范圍的數(shù)據(jù)，攻角范圍通常為－10°至20°之間。由于風電機組氣動載荷的計算需要使用攻角在[－180°,180°]的氣動參數(shù)，實測數(shù)據(jù)范圍之外的升、阻力系數(shù)以及變槳力矩系數(shù)需要通過一定的方法外推獲得。假定在大攻角時翼型作為平板考慮，翼型的氣動數(shù)據(jù)依靠展弦比以及實測數(shù)據(jù)來確定，Viterna等提出一種翼型數(shù)據(jù)外推方法：

式中∶ Cdmax：最大阻力系數(shù)；M：展弦比；

s：代表失速點或匹配點。

計算結(jié)果與分析

一、 風電機組參數(shù)

選用某1.5MW 陸上風電機組進行研究，模型參數(shù)如表1所示。

風電機組采用變速變槳矩功率控制方式，穩(wěn)態(tài)功率曲線如圖2所示。

二、 覆冰對載荷的影響

（一）翼型參數(shù)修正后外推結(jié)果比對

基于實測段數(shù)據(jù)，通過懲罰因子修正，修正后選用Viterna方法進行外推，得到攻角在[－180°，180°]內(nèi)的升阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，變槳力矩系數(shù)使用原有數(shù)據(jù)。下面以某翼型為例，將覆冰以及外推后的數(shù)據(jù)與未覆冰數(shù)據(jù)進行對比，如圖3所示。

本系統(tǒng)處理器采用s3c2440，該芯片是三星公司推出的16/32RISC處理器，采用ARM920T內(nèi)核，整體設(shè)計融合了MMU，AMBA BUS和Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨立的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache。Linux內(nèi)核采用Linux2.6.30.4。圖像采集設(shè)備采用中星微ZC301數(shù)字攝像頭，該攝像頭為USB接口。該終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 風電機組模型參數(shù)

圖2 穩(wěn)態(tài)功率曲線

從圖中可以看出，在小攻角范圍內(nèi)，覆冰后的翼型升力系數(shù)低于未覆冰翼型，覆冰后的翼型阻力系數(shù)高于未覆冰翼型。因此，覆冰后的風電機組在失速攻角以下范圍內(nèi)運行，受到升力系數(shù)降低、阻力系數(shù)增加的影響，改變了原有翼型的氣動性能。

（二）質(zhì)量分布結(jié)果比對

葉片結(jié)冰形狀與結(jié)冰長度受環(huán)境影響顯著，需要假定質(zhì)量分布方式。根據(jù)GL標準中規(guī)定的分布方式，通過計算得到覆冰前后葉片的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

（三）葉片結(jié)冰對葉根載荷的影響

風速模型選用NWP模型，輪轂高度處風速為10m/s，上吹角8°。葉片未覆冰與覆冰兩種情況下關(guān)鍵部件載荷時域圖，如圖4、5所示。

圖3 翼型升、阻力曲線

表2 覆冰前后葉片參數(shù)比對

從圖4中可以看出，固定輪轂坐標系下，葉片覆冰相比未覆冰，葉根處Mx彎矩值整體向下偏移，最大值減小，最小值增加，覆冰前后均值分別為310.119 kN·m、 255.409 kN·m，降低17.6%；葉根處My彎矩值整體向上偏移，覆冰后最大值為3291 kN·m、未覆冰最大值3009.9 kN·m，增加9.3%。葉片覆冰后小攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)降低、阻力系數(shù)增加，影響葉片的氣動性能，進而影響風電機組葉片的載荷。

圖5為固定輪轂坐標系下，輪轂載荷分量的時域圖。葉片結(jié)冰后相比未結(jié)冰，輪轂Mx載荷均值下降，且表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，表明翼型發(fā)生變化后控制系統(tǒng)不能對風輪轉(zhuǎn)速進行精確控制；輪轂My彎矩曲線整體向下偏移，最大值由642.50kN·m下降到473.40 kN·m，下降26.3%，均值由369.56 kN·m下降到252.16kN·m，下降31.77%；輪轂Mz曲線最大值、均值、最小值分別增加6.4%、 44.0%、800%，但是由于Mz整體數(shù)值偏小，因此，葉片結(jié)冰后的載荷對輪轂影響不大。

圖4 葉根處載荷時域圖

三、 葉片結(jié)冰對功率的影響

從圖5中可以看出，翼型修正后，功率曲線整體向右偏移，表明相同風速下，翼型修正后相比未修正功率出現(xiàn)下降，達到額定功率時的風速為11.4m/s，修正翼型后穩(wěn)態(tài)功率下降范圍在10%－30%內(nèi)。當風速在11.4m/s到12.9m/s區(qū)間內(nèi)，功率曲線出現(xiàn)急劇下降，表明翼型修正后風電機組葉片出現(xiàn)失速，控制系統(tǒng)對風電機組變槳動作在額定風速附近區(qū)域不能精確調(diào)整。風電機組在此段風速區(qū)間內(nèi)，葉片有可能在失速條件下工作，引起顫振的可能性較大，影響風電機組的安全穩(wěn)定運行。因此，出現(xiàn)風電機組葉片結(jié)冰的情況時，需要對控制系統(tǒng)中控制策略做出改變以適應(yīng)覆冰情況。

圖5 輪轂處載荷時域圖

四、 葉片結(jié)冰對發(fā)電量的影響

圖6 穩(wěn)態(tài)功率曲線

本文所用風電機組為S等級，根據(jù)IEC標準設(shè)計，年平均風速6.5m/s，風頻分布采用瑞利分布，瑞利分布如下：

式中：Vhub為輪轂高度處風速；

Vave為年平均風速。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)功率曲線，每個風速對應(yīng)一個功率，在某段時間內(nèi)風速服從瑞利分布，某段時間內(nèi)的發(fā)電量表示為：

式中：T為某段時間；

P(Vhub)為對應(yīng)輪轂高度處風速下的功率。

本文所用風電機組設(shè)計一年中覆冰時間168h，計算正常發(fā)電與覆冰后發(fā)電量分別為100053.00kW·h、82238.48 kW·h，差值為17814.52kW·h，下降17.8%。實際運行中，覆冰的時間不確定，但是隨著覆冰時間的增加發(fā)電量損失逐漸增大，冰對發(fā)電量的影響需要考慮。

結(jié)語

對葉片覆冰后的風電機組，綜合考慮葉片翼型變化與質(zhì)量變化，得到以下結(jié)論：對翼型升、阻力系數(shù)進行懲罰因子修正，修正后小攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)下降、阻力系數(shù)增加；由于翼型參數(shù)的改變，導(dǎo)致Cp降低，在低于額定風速時引起發(fā)電量的損失，輪轂My轉(zhuǎn)矩增加，對葉根處疲勞壽命影響很大；葉片覆冰后，本文所選用風電機組葉片在額定風速附近出現(xiàn)失速，表明葉片覆冰后，控制系統(tǒng)不能對葉片變槳動作做精確控制；通過懲罰因子修正的方法，考慮葉片覆冰后翼型變化，研究結(jié)果可為風電機組極限載荷統(tǒng)計以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應(yīng)設(shè)計提供參考。

（作者單位：北京鑒衡認證中心）