風電機組葉片與塔架間最小距離的影響因素分析

摘 要：隨著風力發電技術的發展，葉片長度越來越長，越來越柔軟，葉片與塔架間的最小安全距離能否滿足標準要求往往成為制約機組設計的關鍵因素。現針對某兆瓦級直驅風電機組，通過3種方法調整了葉片與塔架間的最小距離，并對比了機組功率及關鍵部件載荷，對葉片與塔架間最小距離的主要影響因素及其規律進行了分析總結。

關鍵詞：風電機組;葉片距塔架間最小距離;影響因素

0 引言

隨著風力發電技術的發展，風電機組功率越來越大，葉片也越來越長，越來越柔軟，導致葉片變形越來越嚴重。在設計開發過程中，葉片距塔架的最小距離能否滿足標準要求成為了制約機組設計的關鍵問題。影響葉片與塔架最小距離的因素有很多，影響程度各不相同。本文針對固定環境條件下的某兆瓦級直驅風電機組，通過3種方法調整葉片與塔架的最小距離，并對比機組發電量及關鍵部件載荷，分析總結了葉片與塔架間最小距離的主要影響因素及規律。

1 葉片與塔架間最小距離

在風電機組設計過程中，需要著重考慮保證葉片和塔架之間不會發生機械干擾，即葉片最大變形要小于靜止狀態下葉片到塔架的距離。葉片變形計算公式：

D=（S-T）×1.1×PSF×1

式中，D表示葉片最大變形;S表示葉片靜止狀態下葉尖距離塔架的最小距離;T表示仿真得到的葉尖到塔架的最小距離;PSF表示局部安全系數。

本文主要針對葉片變形計算公式中的相關參數進行調整分析，所有計算工況均按照IEC 61400-1標準制定，計算時采用相同的空氣密度、湍流強度。

2 錐角、仰角對葉片與塔架間最小距離的影響

直接增大錐角及仰角可以有效增大葉片與塔架間的最小距離，但會導致有效風輪面積變小，損失發電量，引起葉根及輪轂載荷變化，因此需要對此進一步分析。

首先，分析錐角及仰角變化引起的載荷及功率變化。機組初始設計時采用的錐角為-4.0°、仰角為5.0°，所以選取以下錐角、仰角組合進行分析：（1）錐角-4.0°，仰角分別為5.0°、5.5°、6.0°、6.5°、7.0°、7.5°;（2）仰角5.0°，錐角分別為-4.0°、-4.5°、-5.0°、-5.5°、-6.0°、-6.5°。載荷隨仰角變化如表1所示，載荷隨錐角變化如表2所示。

由表1可以看出，隨著仰角的變大，各部件載荷呈現近似線性增大或減小趨勢。葉根擺振載荷Mx變化較小，揮舞載荷My增幅較大。輪轂中心扭轉載荷Mx變化較小，彎曲載荷My和Mz降幅較大。由表2可以看出，相對于仰角，葉根載荷對錐角變化敏感度更高，輪轂載荷對錐角和仰角變化敏感度都比較大。所以錐角應盡量選在5.0°以內。

機組初始設計時采用的錐角為-4.0°、仰角為5.0°，經統計得到葉片與塔架最小距離不滿足標準要求。需將錐角仰角之和定到11.5°才可滿足最小距離要求。現取如下組合進行分析：（1）錐角-4.0°、仰角7.5°;（2）錐角-4.5°、仰角7.0°;（3）錐角-5.0°、仰角6.5°;（4）錐角-5.5°、仰角6.0°。不同錐仰角組合下載荷、功率及最小距離變化如表3所示。

由表3可知，在滿足葉片距塔架最小安全距離的情況下，組合（1）（2）葉根揮舞載荷My具有較小增幅、輪轂中心彎曲載荷My及Mz具有較大降幅;考慮功率損失的情況下，組合（2）優于組合（1），所以選擇錐角-4.5°、仰角7.0°的組合更合理。

3 控制策略對葉片與塔架間最小距離的影響

葉片與塔架間最小距離一般發生在額定風速附近，通過調整控制策略，在額定風速附近提前變槳，降低推力，以增大葉片與塔架最小距離。但同時由于提前變槳會損失發電量，所以需選取合適的提前變槳角度。本次分析考慮提前變槳0.5°、1.0°、1.5°、2.0°，其比對結果如表4所示。

由表4可以看出，隨著提前變槳角度的增大，功率損失線性增大，葉尖距塔架距離也變大。提前變槳1.5°和2.0°對功率和葉尖距塔架距離影響較大。因此，綜合考慮選取提前變槳角度為1°。

4 重力對葉片與塔架間最小距離的影響

隨著葉片越來越長，重心位置距塔架距離越來越遠，重力對葉片變形的影響越來越大。葉片變形公式中的一個重要參數是S，即葉片靜止狀態下葉尖距塔架的最小距離。在計算該值時是否考慮葉片重力會有很大差異。

在不考慮重力的情況下，S由三角函數關系計算得到。若考慮重力則需要通過仿真得到。在軟件中設置將風輪鎖死，使風輪停止在180°方位角，即葉片1豎直向下，葉片槳角設置為0°，輸入一個極小的風速進行仿真，即可得到在重力影響下的靜止葉片與塔架間的最小距離S。重力對靜止狀態下葉片與塔架距離的影響如表5所示。

由表5可以看出，考慮重力后，靜止狀態下葉片距塔架最小距離S有4%左右的降幅，可以直接推導出仿真得到的葉尖距塔架的最小距離T還能有4%左右安全余量，為機組降本增效提供了更多空間。

5 結語

本文分析了風電機組錐角、槳角、提前變槳控制參數及重力對機組葉片距塔架最小安全距離的影響。其中，改變錐角和仰角效果比較明顯，但需結合關鍵部件載荷及功率來分析選取合適的錐角、仰角組合;提前變槳也可以增加最小安全距離，同時需考慮功率損失以便選取合適的提前變槳角度;在葉片與塔架最小安全距離計算時，應考慮靜止狀態下重力對葉片變形的影響。

收稿日期：2019-12-20

作者簡介：高中華（1985—），男，山東汶上人，工程師，研究方向：風力發電機組載荷仿真。