復雜地形風電機組極限載荷的影響因素分析

文 | 李鋼強，呂超，代魯平，田家彬

隨著風力發電事業的發展，我國陸上適合開發的風能資源、地形平坦的區域越來越少，風電開發的重點正朝著地形復雜的山區以及海上方向發展。我國內陸大部分是山地和丘陵地帶，復雜地形風電場同平坦地形相比往往具有更豐富的風能資源和更廣闊的開發空間。復雜地形風電場內的風電機組不僅需要承受由于地形高低起伏、風速風向多變、機組尾流效應、湍流強度增加以及極端氣溫變化等環境因素帶來的風險，而且由于復雜地形風電場年平均風速一般較低，風電機組需采用更長的葉片和更高的塔架以獲得較高的年發電量產出，造成機組柔性較大、動力學響應復雜。因此在復雜地形條件下需要對已經按照標準安全等級設計的風電機組進行特定場址安全性評估及優化，以保證風電機組的風電場適應性和可靠性，而特定場址的安全性評估的重點是對風電機組的載荷進行分析。

國內外學者對復雜地形風電場微觀選址、風電機組載荷和性能等方面進行了相關研究。許昌等針對復雜地形條件應用Jensen模型和Lissaman模型并綜合考慮尾流影響，提出了一種在復雜地形下進行風電場微觀選址優化的方法；許移慶通過大量的疲勞載荷計算分析了不同設計因素對風電機組疲勞載荷的影響程度；歐陽華等以某機型為例分析了不同湍流強度對風電機組極限載荷、疲勞載荷和性能的影響；Raymond采用Flex5創建風電機組模型，分析了不同風電場環境參數的變化對風電機組等效疲勞載荷的影響。

本文在上述研究的基礎上，對復雜地形風電機組特定場址極限載荷評估進行研究，針對不同的空氣密度、湍流強度、風傾斜角、風切變、參考風速和切出風速等環境因素進行了大量的極限載荷工況計算，分析以上影響因素對風電機組關鍵部件極限載荷分量的影響程度和影響規律。本文主要基于以下假定和條件進行極限載荷對比分析：

（1）對于每種環境因素的分析，均按照IEC61400－1和GL2010規范制定大量極限載荷工況，采用GH Bladed軟件對風電機組極限載荷進行計算，分析單一參數的變化對風電機組極限載荷的影響時假定其他參數不變，如有變化將在文中單獨說明。

（2）為使風電機組關鍵部件極限載荷結果對比更明顯，本文選取對結構強度校核影響較大的彎矩和扭矩進行對比，關鍵部件位置分別為葉片根部、靜態輪轂、偏航軸承和塔架底部。

（3）由于本文針對的是某一具體機型的極限載荷分析，因此對該機型的風電場適應性分析具有重要意義，但不能代表普遍結論。限于篇幅，本文沒有給出由于風力參數變化對風電機組疲勞載荷的影響，將另文撰述。

空氣密度對極限載荷的影響

風電機組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。復雜地形風電場中的空氣密度往往與標準空氣密度不同，在不同的溫度、海拔高度等條件下，空氣密度會偏離標準空氣密度。風壓與空氣密度成正比，因此空氣密度將直接影響風電機組載荷。為了分析空氣密度對風電機組極限載荷的影響，分別選取當空氣密度為0.8kg/m3、0.9kg/m3、1.0kg/m3、1.1kg/m3、1.2kg/m3、1.3kg/m3時進行極限載荷計算，獲得的各部件極限載荷結果對比如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著空氣密度的增大，風電機組各部件極限載荷基本呈現線性增加的趨勢，塔架底部極限載荷線性變化趨勢尤為明顯，但輪轂極限載荷Mx變化較小，說明空氣密度對風電機組傳動鏈扭矩影響較小。整體上來看，隨著空氣密度的增大，風電機組各部件承受的極限載荷增大，需要對各部件的極限強度進行校核和優化以保證機組安全。

湍流強度對極限載荷的影響

湍流強度是風電機組安全等級劃分的重要參數之一，其與離地高度和地表粗糙度有關，也受地形地貌特征的影響。在復雜地形條件下，高地、山脈以及位于上風向的樹和建筑物等，會導致湍流強度增加。此外，風電場內的尾流效應不僅影響風電機組的發電功率，還會增加湍流強度，從而增加風電機組的載荷。為了分析空氣密度對風電機組極限載荷的影響，分別選取輪轂高度處的參考湍流強度I15分別為0.18、0.16、0.14、0.12時進行極限載荷計算，但對于極端湍流工況保持湍流強度0.11不變，獲得的各部件極限載荷結果對比如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著湍流強度的增大，葉片極限載荷My和Mz、輪轂極限載荷Mx和Mz、偏航軸承極限載荷Mx和Mz以及塔架底部極限載荷My和Mz均呈現近似線性增大趨勢，但葉片Mx、輪轂My、偏航軸承My和塔架底部Mx沒有發生變化，均沒有超過極端湍流工況的極限載荷，通過分析載荷計算工況發現，這些極限載荷發生在湍流強度沒有變化的極端湍流工況和伴隨方向變化的極端相干陣風工況。從整體上來看，每提高一個湍流強度等級，對塔架底部極限載荷影響最大，塔底極限彎矩增加10%左右，其他部件極限彎矩和扭矩增加幅度較小。

圖1 空氣密度對風電機組各部件極限載荷影響

風傾斜角對極限載荷的影響

風電機組原始設計時風傾斜角一般取8°，且假定風傾斜角（向上流）不隨高度的變化而變化。但是在復雜地形條件下，尤其是位于山地區域的風電場，地形的變化會影響風傾斜角的大小。為了分析風傾斜角對風電機組極限載荷的影響，分別選取當風傾斜角為0°、4°、8°、12°、16°、20°時進行極限載荷計算，獲得的各部件極限載荷結果對比如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著風傾斜角的增大，葉片極限載荷Mx呈現近似線性減小趨勢，My先增大后減小，而Mz在4°減小之后逐漸增大；輪轂極限載荷Mx幾乎不受影響，My呈現階躍變化，Mz呈現近似線性增大趨勢；偏航軸承極限載荷的變化趨勢與輪轂極限載荷趨勢一致；塔架底部極限載荷Mx和My呈現線性減小趨勢，但Mz呈現線性增大趨勢。從整體上來看，各部件扭矩增加程度最大，因此風傾斜角的變化對風電機組傳動系統、變槳系統和偏航系統的設計影響較大。

風切變對極限載荷的影響

風切變反映了風速隨高度變化的規律，與地形地貌、地表粗糙度、熱力穩定性相關，其中，地形地貌對風切變的影響比地表粗糙度更明顯。通常情況下，風速隨高度增加而增大，但在山體陡峭的復雜地形條件下，甚至會產生負切變現象，即風速隨高度的增加會減小。為了分析風切變對風電機組極限載荷的影響，分別選取當風切變系數為0.05、0.08、0.11、0.14、0.17、0.20、0.23、0.26時進行極限載荷計算，獲得的各部件極限載荷結果對比如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著風切變系數的增大，葉片極限載荷My和Mz呈現近似線性增大趨勢，Mx呈現近似線性減小趨勢；輪轂極限載荷Mx和My幾乎沒有變化，但輪轂極限載荷Mz呈現變小趨勢；偏航軸承極限載荷的變化趨勢與輪轂極限載荷趨勢幾乎一致；塔架底部極限載荷Mx、My和Mz均呈現近似線性減小趨勢，Mz減小量最大。從整體上來看，隨著風切變系數的變化，風電機組各部件扭矩變化程度較大，彎矩變化程度較小，需要重點關注風電機組傳動系統、變槳系統和偏航系統的載荷情況。

參考風速對極限載荷的影響

參考風速是風電機組安全等級劃分的重要依據之一，五十年一遇極端風速模型（EWM50）和一年一遇極端風速模型（EWM1）的確定都基于參考風速，表1給出了不同安全等級下的五十年一遇極端風速和一年一遇極端風速的設計值。

圖3 風傾斜角對風電機組各部件極限載荷影響

圖4 風傾斜角對風電機組各部件極限載荷影響

表1 不同安全等級下的極端風速

為保證風電機組運行安全，極端風速發生時風電機組處于空轉或暫停狀態，因此本文僅對不同安全等級下的空轉和暫停工況進行極端載荷計算，而其他工況保持初始安全等級III類設計。隨著風電場等級的提高，參考風速對風電機組極限載荷的影響如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著參考風速的增大，葉片極限載荷Mx和Mz均呈現近似線性增大趨勢，增幅較大；輪轂極限載荷Mz在I類風區時超過III類設計值，My增幅較小；偏航軸承極限載荷Mx和My沒有發生變化，Mz在II類風區之后載荷增加明顯；塔架底部極限載荷Mx受影響最大，呈現近似線性增大趨勢，Mz增幅較小；葉片極限載荷My、輪轂極限載荷Mz、偏航軸承極限載荷Mx和My以及塔架底部極限載荷My均沒有超過初始設計值，因此這些極限載荷分量不受參考風速變化的影響；參考風速的變化對葉片和偏航扭矩影響較大，需要重點關注影響較大的變槳系統和偏航系統的設計。

切出風速對極限載荷的影響

在復雜地形條件下，尤其是年平均風速較低的風電場，一般采用更長的葉片以獲得較大的年發電量產出，由于葉片長度的增加，將增加風電機組的載荷，通過降低機組切出風速是減小機組載荷是的有效途徑之一。由于年平均風速較低的風電場風速分布，其高風速占全年小時數很少，因此對機組年發電量的影響很小，為了分析切出風速對風電機組極限載荷的影響，分別選取當切出風速為20m/s、21m/s、22m/s、23m/s、24m/s、25m/s時進行載荷計算，獲得的各部件極限載荷結果對比如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著切出風速的增大，葉片極限載荷沒有變化；輪轂極限載荷Mx呈現近似線性增大趨勢，My沒有變化，Mz增幅較大；偏航軸承和塔架底部極限載荷變化與輪轂極限載荷變化趨勢一致。由此可見在對年發電量影響很小的情況下降低切出風速，有助于降低偏航系統的扭矩和塔架極限載荷，可以降低偏航系統、塔架和基礎的制造成本。

復雜地形風電場載荷分析方法

本文對復雜地形風電機組在不同環境參數變化的情況下進行了極限載荷計算，通過大量的統計分析，獲得了空氣密度、湍流強度、風傾斜角、風切變、參考風速以及切出風速對風電機組不同關鍵部件處極限載荷的影響程度，本文限于篇幅，沒有給出多參數組合變化時對風電機組極限載荷的影響，將另文撰述。一般情況下，位于風電場各個機位處的風電機組承受的風況條件不同，載荷也不相同，復雜地形風電場中的情況更加明顯。但是風電場中的機組數量少則幾十臺多則上百臺，對所有機組進行詳細的載荷計算將耗費大量時間和精力，因此尋找一種快速的載荷預測方法顯的比較重要。IEC61400－1標準的11.9節和GL2010規范的4.4.8

圖5 參考風速對風電機組各部件極限載荷影響

圖6 切出風速對風電機組各部件極限載荷影響

圖7 復雜地形風電機組載荷分析流程圖

節均給出了一種通過比較風力數據來確定風電機組風電場適應性的方法，但在實際應用中會經常遇到諸如某個或某幾個風電場參數超出設計值的情況，因此分析所有復雜地形風電場風力參數的變化對機組載荷的綜合影響，更能直觀的判斷風電機組的風電場適應性。基于本文分析思路，由于風電機組各部件的極限載荷變化大都與環境參數的變化成近似線性比例關系，在風電機組初始設計時，綜合考慮不同環境因素變化對風電機組各部件極限載荷的影響程度，通過統計大量的載荷計算結果，將每個風力參數變化對風電機組各部件載荷的影響程度以載荷數據庫的形式保存并建立對應關系，當通過風電場微觀選址分析獲得各機位處風力參數時，可以通過線性插值的方法快速計算并疊加各參數變化對風電機組載荷的影響，通過與初始設計載荷進行對比，并對初始設計時的結構進行優化，即可預判風電機組能否滿足結構強度設計要求，該方法的實施流程如圖7所示。

結語

（1）本文對復雜地形風電機組在不同環境因素變化的情況下進行了極限載荷計算，通過大量統計分析，獲得了空氣密度、湍流強度、風傾斜角、風切變、參考風速以及切出風速對風電機組不同關鍵部件處極限載荷的影響程度，并分析了由于極限載荷變化對風電機組部件設計需要關注的重點。

（2）按照本文分析思路，提出了一種復雜地形風電機組載荷分析方法，采用該方法可以對復雜地形風電場內的多臺風電機組載荷進行快速預測和分析，并對風電機組的風電場適應性進行預判，提高了復雜地形風電機組載荷評估效率。