湍流強度對風電機組動力學特性及載荷的影響

巫發明，楊從新，王 靛，楊 柳

湍流強度對風電機組動力學特性及載荷的影響

巫發明1,2，楊從新1※，王 靛2，楊 柳2

（1. 蘭州理工大學能源與動力工程學院，蘭州 730050；2. 中車株洲電力機車研究所有限公司風電事業部，株洲 412000）

為研究湍流強度對機組動力學特性及氣動載荷的影響，以3.3 MW三葉片水平軸風電機組為研究對象，采用仿真及試驗相結合的方法，并對來流風速和主導載荷進行功率譜分析。通過開展4種湍流強度0.10、0.12、0.14和0.16的計算仿真，結果表明隨著湍流強度的增加，風電機組機艙振動加速度、載荷及等效疲勞載荷都有規律性變化。為驗證仿真結果的合理性，對某風場的型式測試機組進行1a多的數據測試采集和分析。測試結果表明，機組運行在0.06、0.08、0.10和0.12這4種不同湍流強度下，其機組在不同風速運行下的機組振動及載荷同樣出現有規律性的變化，仿真與實測結果的變化趨勢吻合度較高。該研究為風電場風電機組的微觀選址提供依據，也對風電機組設計有一定的指導意義。

風；發電；動力學；風電機組；湍流強度；氣動載荷

0 引 言

湍流是普遍存在且被許多研究者持續探索的自然現象。大氣湍流對飛行器的飛行性能、結構載荷、飛行安全的影響很大。因湍流引發的飛行事故時有發生，但通過現代技術可以有效避開強湍流或盡量降低危害程度。但風電機組固定安裝于某個位置，當天氣變化，導致機組可能受到不同程度湍流影響，為保證風電機組的安全性和長期穩定可靠運行，機組的設計需要考慮運行環境條件的湍流變化帶來的載荷問題[1-2]。在過去幾年里，越來越明顯的是風電機組對風能的轉化必須面對更高湍流的挑戰，湍流強度對大型風電機組的載荷的影響需要探討。在不同湍流強度下，其風電機組載荷有相應的變化[3]。

近年來，風電機組變得越來越大，陸地大功率機組直徑已達到160 m，海上機組直徑接近200 m，從流體力學的角度來看，風電機組是在湍流大氣邊界層中運行的大型機械，這是非常大的挑戰，因為風場的多尺度特性，從剖面上的局部流動條件到風電場尾流的相互作用[4-8]。復雜地形會使大氣邊界層流動產生擾動，湍流強度加局，從而影響風電機組的效率，破壞機組的安全運行，縮短機組的壽命。因為湍流對風電機組載荷、壽命和動力學特性有直接影響[9]，當湍流強度大時，增加風電機組的疲勞載荷，加劇機組的振動，最終造成機組損壞。強烈的湍流擾動可能是導致機組斷裂損壞的主要原因[10-11]。

湍流強度的增加使風電機組的氣動力、重力和慣性載荷之間的耦合效應更加復雜，國內外一些研究工作者通過建立風電機組模型了解風電機組的動態總體性能、載荷情況，不少學者對風電機組模擬的方法進行了研究，并成功地應用于工程實踐。也有不少學者對如何減小風電機組的載荷，提高風電機組性能做了相關的研究，但針對湍流強度如何影響風電機組載荷和動力學特性的研究還很少見。國際電工委員會發布的最新版IEC61400-1標準[12]，給出湍流強度指標對風電機組的載荷設計進行了分類，其湍流強度等級由第三版的3個等級增加到4個等級，正與國內復雜地形相對應，特別容易出現個別機位的湍流強度特別大，出現超A類的現象。國際上Vera-Tudela等[13-14]通過仿真手段指出，當湍流強度較大時，風電機組輸出功率會相應減少，風電機組的疲勞載荷會增大，同時，還可能引起較大的瞬態載荷，最終造成風電機組疲勞破壞，但是沒有實際測試數據支撐。葉杭冶等[15-18]對如何控制策略的方法，減小風電機組的疲勞載荷，提高風電機組性能及壽命進行了相關的仿真研究，但未見有關于湍流強度對風電機組載荷隨風速變化和應用實測與仿真對比相結合的研究。Tony等[10]研究指出通常將作用在旋轉葉片上的穩定風速與波動風速產生的載荷分開。將風速在葉輪掃掠面積空間內的變化，所產生的葉片上的周期性載荷稱為確定載荷部分，因為它是由一些參數唯一確定，如輪轂高度、轉速、風剪切力等。另外，由風速波動產生（即湍流）的隨機載荷只能通過概率預測來描述，因此稱其為隨機載荷部分。除了風載，旋轉葉片還受重力和慣性載荷的作用。重力載荷只取決于葉片的角度和質量分布，但慣性載荷可能受湍流的影響。從國內外學者研究結果來看，有必要對湍流強度與風電機組載荷、動力學特性之間的內在聯系開展相應的研究工作。本文以3.3MW變速變槳型風電機組為例，主要研究湍流強度對大型風電機組載荷、動力學特性的影響，并進行了仿真計算和測試驗證。

1 研究方法及計算模型

湍流強度反映了風速的波動。湍流強度越大，氣流越不穩定，風速波動越大，使得風電機組的氣動載荷變成了交變載荷。由于風電機組承受的重力載荷、風載、以及慣性載荷，最終都通過傳動鏈傳遞至塔筒。因此，對于風電機組而言，葉根和塔底承受的彎矩載荷是最大的，值得重點關注的。依據文獻[18-19]，塔底、葉根及傳動鏈的載荷都是考慮俯仰彎矩、傾覆彎矩及扭矩。另外，風電機組是包含剛性體和柔性體的多體系統，包含葉片、機艙和塔架等部件。各部件之間的相對運動以及各部件彈性變形相互影響和耦合，形成了風電機組系統復雜的結構動力學特性。湍流強度影響將直接帶來機組動力學特性問題。因此，本文以葉根，傳動鏈及塔底俯仰彎矩為例，對湍流強度與載荷之間的內在聯系進行研究。同時，分析湍流強度變化對機艙振動加速度的影響。

1.1 湍流強度

湍流強度與離地高度，地表面粗糙度有關。然而，它也受地貌特征的影響，如高地和山脈，位于上風向的樹和建筑物等。對于風力機運行所面臨的大氣邊界層環境條件，主要功率譜有IEC Kaimal譜模型：

中性大氣條件下，3個方向（=）的速度譜為

式中hub為風電機組的輪轂高度,m。

式中ref為10 min平均風速為15m/s時輪轂高度處湍流強度的期望值[12]。

1.2 動力學模型

對于個自由度具有阻尼的線性系統運動方程式為

風電機組機艙振動特性類似于阻尼強迫振動的特點[10]，風電機組動力學模型如下

1.3 湍流的影響及功率譜

另外，可采用功率頻譜描述在不同的頻率下能量的波動的分布。隨機性載荷能很方便地在頻域范圍內進行分析，但是為了更加便于分析，相干函數通常采用指數相干模型，相干函數(Δ,)表達式如下：

脈動風速功率譜表現了脈動風能量在整個頻率范圍內的分布特征，是進行結構風荷載效應隨機振動分析的前提之一。功率譜密度存在如下性質：輸出信號的功率譜密度等于輸入信號的功率譜密度與傳遞函數模值平方的乘積[20]。

1.4 等效疲勞載荷

等效疲勞載荷是對給定測量時間內疲勞載荷效果的一種方便、簡明的描述。等效載荷是一個概括的信號載荷，在給定的時間歷程中以給定的頻率出現的總循環次數施加這個載荷時，它所造成的疲勞損傷與測得的載荷譜中所有雨流計算出的載荷幅值造成的損傷之各是相同的。

雨流循環計算是用作結構疲勞分析公認的方法。指定一個或多個材料S-N曲線的斜率與頻率，計算出的等效載荷作為恒頻正弦載荷的振幅，它將得到與原始信號一樣的疲勞損傷。載荷測試的10 min結果的1 Hz等效載荷由式(10)給出。

2 仿真模型分析與驗證

湍流對風電機組壽命和可靠性有直接影響，影響風電機組壽命的主要是機組承受的疲勞載荷和振動。因此本文主要分析了不同湍流度下機組的振動特性和疲勞載荷變化特性。

2.1 計算模型

為驗證湍流強度與機組動力學特性、載荷的相關性，本文運用風電行業專業軟件GH-Bladed，對3.3MW風電機組進行仿真計算。該機組的主要參數如表1所示。

表1 3.3MW風電機組參數

計算條件為：平均風速3～20 m/s，湍流強度ref為0.16()，0.14()，0.12()和0.10()。風電機組振動特性及載荷分析中，需建立坐標系才能對整機及部件進行建模和計算分析。國際電氣委員會（IEC）制定的相應標準中規定了坐標系[12]。

2.2 不同風速下的機艙振動加速度對比分析

為分析湍流強度變化對風電機組動力學特性的影響。對正常運行風速3～20 m/s下，不同湍流強度的風電機組10 min內最大值，最小值及平均值機艙振動加速度情況進行統計。

從圖1a可知，機艙前后振動與湍流強度關聯較大，湍流強度上升0.02，其振動加速度值上升達到10%。從圖1b可知，其中機艙左右振動與湍流強度關聯也較大，且在額定風速附近出現峰值點，原因是此處有轉矩控制到變槳控制切換的過程，存在一定的沖擊。由式（9）可知，湍流強度上升0.02，氣動力的波動變化可達到14%。再根據式（6）可知，機艙振動加速度與氣動力波動強度相關。

圖1 不同湍流強度下機艙振動加速度隨風速變化曲線（仿真）

2.3 不同風速下的運行載荷對比分析

為分析湍流強度變化對風電機組載荷的影響。對正常運行風速3～20 m/s下，不同湍流強度的風電機組10 min內最大值，最小值及平均值彎矩載荷情況進行統計，同樣分析葉片、傳動鏈和塔筒的受載情況。葉片主要分析不同風速下的葉根擺振彎矩（Mx）和葉根揮舞彎矩載荷（My）；傳動鏈在不同風速下的旋轉輪轂轉矩（Mx1）、俯仰彎矩（My1）和偏航彎矩（Mz1）的載荷；塔筒在不同風速下塔頂左右彎矩（Mx2）、前后彎矩（My2）、扭矩（Mz2）和塔底左右彎矩（Mx3）、前后彎矩（My3）載荷。

從圖2a和圖2b可知，葉根Mx與湍流強度關聯不大，但葉根揮舞彎矩My受湍流強度影響較為明顯，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%。其Mx影響較小的原因是葉根擺振彎矩Mx源于葉片自身重力的影響，這是文獻[10]指出的確定載荷部分，與湍流強度關聯性不大。

圖2 葉根彎矩隨風速變化曲線（仿真）

從圖3可知，旋轉輪轂Mx1與湍流強度關聯不大，但My1、Mz1受湍流強度影響較為明顯，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%。其中旋轉輪轂Mx載荷影響較小的原因，轉矩是受轉速控制，能保持穩定。

從圖4可知，塔頂Mx2與湍流強度關聯較小，塔頂My2和扭矩Mz2受湍流強度影響較為明顯，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%。

從圖5可知，塔底Mx3與湍流強度關聯性隨著風速的增加而增大，塔底My3受湍流強度影響較為明顯，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%，特別是隨風速的增大后更加明顯。

2.4 功率譜對比分析

針對風速12m/s，湍流強度ref分別0.12和0.16。對風速、葉片、輪轂和塔頂Mx、My載荷進行功率譜分析，具體如圖6，7所示。

圖3 旋轉輪轂彎矩載荷隨風速變化曲線（仿真）

圖4 塔頂彎矩隨風速變化曲線（仿真）

從圖6、7的功率譜可明顯看出，風速沒有明顯峰值，但葉片、輪轂和塔頂Mx，My主導載荷中出現明顯的尖峰，這主要來源于風電機組轉頻和部件固有頻率，其中風電機組轉頻1P約為0.175 Hz，塔筒1階約0.254 Hz，葉片揮舞1階約0.53 Hz，葉片擺振1階約0.92 Hz，傳動鏈1階或葉片揮舞2階約1.24 Hz，葉片擺振2階約2.5 Hz。其峰值都隨著湍流強度變大，主要原因是其波動能量隨著湍流強度變大而增加，但部件固有頻率值不發生改變。從功率譜變化情況說明湍流強度對風電機組有明顯的影響，特別是葉片、輪轂和塔頂My載荷。

圖5 塔底彎矩隨風速變化曲線（仿真）

2.5 等效疲勞載荷對比分析

根據IEC61400－13標準[21]，在不同湍流強度下計算風電機組的載荷，并進行等效疲勞載荷統計，表2給出葉根、傳動鏈和塔筒各關鍵載荷隨湍流強度變化的比值。隨著湍流強度上升，等效載荷有明顯的上升。湍流強度每上升0.02，傳動鏈（旋轉輪轂）和塔筒（塔頂和塔底）等效疲勞載荷基本有10%的上升。但葉根等效載荷Mx變化較小，其主要原因是葉根Mx載荷波動來源葉片質量，與湍流強度相關性較小。

圖7 風速及主導載荷的功率譜（Iref-0.16）

表2 不同湍流風電機組等效疲勞載荷比值

注：、、、為湍流強度0.16、0.14、0.12、0.10。

Note:,,,are turbulence intensities 0.16, 0.14, 0.12, 0.10, respectively.

3 試驗分析及驗證

3.1 測試條件

為了進一步研究和分析湍流強度引起的載荷問題，本文按照IEC61400－13的標準要求[21]，在青海都蘭風電場的測試樣機上進行長達1年多的數據采集，并進行分析研究，測試樣機如圖8測試風場的空氣密度0.9 kg/m3，年平均風速7.5 m/s。測試機構為國內認證公司CGC。

圖8 樣機

為分析驗證湍流對正常運行下風電機組的影響，主要通過測試機艙振動加速度，葉片和塔筒的受載情況來進行分析。本文測試分別在葉根、塔頂和塔底的安裝了載荷測試的應變片傳感器，對載荷進行長期監測。其測試的樣品量達到752個數據點，測試湍流區間主在0.06～0.12范圍內653個數據點。圖9分別給出葉根Mx和My的測試散點圖，包括載荷的最大值，最小值，平均值和標準偏差值。從圖9可以看出葉根Mx載荷集中性比較高，葉根My離散度相對高一些。

圖9 葉根擺振和揮舞彎矩統計數據（測試）

3.2 測試結果分析

在不同風速下，機艙振動前后加速度和左右加速度、葉根Mx和My載荷、塔筒頂部Mx2，My2，Mz2和塔筒底部Mx3，My3載荷。具體如圖10－圖13。

圖10 機艙振動加速度隨風速變化曲線（測試）

從圖10a可知，機艙前后振動與湍流強度關聯較大，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%。從圖10b可知，其中機艙左右振動與湍流強度關聯較大，且在額定風速附近出現峰值點，仿真結果與試驗結果趨勢一致，其原因是此處有轉矩控制到變槳控制切換的過程，存在一定的沖擊。

圖11 葉根彎矩隨風速變化曲線（測試）

從圖11測試結果可知，葉根載荷中Mx與湍流強度關聯不大，與仿真趨勢基本致。同樣My受湍流強度影響較為明顯，湍流強度上升0.02，其載荷上升達到10%。

從圖12測試結果可知，塔頂My與Mz載荷與湍流強度相關性都較大，湍流強度上升0.02，其載荷都上升達到10%。但塔頂Mx的載荷在達到額定風速后，其最大值基本不受湍流的影響，但最小值還隨湍流變化有一定的變化，其主要原因是達到額定后，最大轉矩已受到限定。與仿真結果趨一致。

從圖13測試結果可知，塔底Mx、My載荷與湍流強度相關性較大，湍流強度上升0.02，其載荷都上升達到10%。

從圖10－圖13測試結果來看，總體趨勢仿真基本一致，說明仿真的合理性，但由于測試的樣品量在高速和高湍流的數據量偏少，還存在一些奇異點。但總趨勢還是能反映出合理性。因此，風電機組的優化設需著重考慮風場湍流強度影響。湍流強度是需要提前確定并在風電機組載荷設計及風電場選址過程中予以考慮的，對于湍流強度較大的地區，風電機組設計載荷應考慮以適當的系數進行修正，以保證風電機組的疲勞壽命安全。

圖12 塔頂彎矩隨風速變化曲線（測試）

圖13 塔底彎矩隨風速變化曲線（測試）

4 結 論

本文研究風電場湍流強度對風電機組的影響，從分析情況可知，湍流強度的變化影響風電機組的振動和疲勞載荷，并通過樣機測試進行驗證。主要結論如下：

1）從仿真結果來看，隨著湍流強度的增加，風電機組機艙振動加速度增加。湍流強度每上升0.02，機艙前后振動加速度值的增幅也達到10%。其中機艙左右振動與湍流強度關聯也較大，且在額定風速附近出現峰值點，原因是此處有轉矩控制到變槳控制切換的過程，存在一定的沖擊。

2）從仿真結果來看，隨著湍流強度的增加，風電機組的重要部件的主導載荷和疲勞載荷增加。湍流強度每上升0.02，其葉根My、輪轂My1、塔頂和塔底My2、My3的等效疲勞載荷接近10%的上升；從功率譜分析來看，湍流強度對風電機組有明顯的影響，特別是葉片、輪轂和塔頂My載荷。

3）從測試結果來看，湍流強度與風電機組機艙振動和疲勞等效載荷強相關。測試結果表明，機組在不同風速運行下的機組振動及載荷同樣出現有規律性的變化，仿真與實測結果的變化趨勢吻合度較高。

由以上分析可知，對于湍流強度較大的地區，風電機組設計載荷應考慮以適當的系數進行修正，以保證風電機組的疲勞壽命安全。因此，對湍流高的地區的風電機組部件的承受能力要適當加強。這為風電場風電機組的微觀選址提供依據，也對風電機組設計有一定的指導意義。

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Effects of turbulence intensity on dynamic characteristics and load of wind turbine

Wu Faming1,2, Yang Congxin1※,Wang Dian2, Yang Liu2

(1.,,730050,;2..,.,412000,)

In order to study the influence of turbulence intensity on the dynamic characteristics and aerodynamic load, simulation tests and experiments are carried out for a horizontal axis wind turbine with three blades whose rated power is 3.3MW. Furthermore, the power spectrum analysis of incoming wind speed and dominant load is carried out. Simulation tests are taken under the condition of four turbulence intensities of 0.10, 0.12, 0.14 and 0.16, whose results show that with the increase of turbulence intensity, the vibration acceleration, load and equivalent fatigue load of wind turbine nacelle change regularly. In order to verify the rationality of the simulation results, the data acquisition and analysis of a type-test wind turbine for more than one year were carried out. The main conclusions are as follows: 1) From the simulation results, with the increase of turbulence intensity, the vibration acceleration of wind turbine nacelle increases. When the turbulence intensity increases by 0.02, the acceleration increases by 10%. Besides, there is also a strong correlation between the side-to-side vibration and turbulence intensity where there is a peak point near the rated wind speed. The reason is that there is a switching process from torque control to pitch control, and there is a certain impact. 2) From the simulation results, with the increase of turbulence intensity, the key load and fatigue load of important components of wind turbine increase. When the turbulence intensity increases by 0.02, the equivalent fatigue loads of blade root MY, hub MY, tower top and tower bottom MY increase by nearly 10%. From the result of power spectrum analysis, the turbulence intensity has obvious influence on wind turbine, especially on MY load of blade, hub and tower top. 3) From the test results, the turbulence intensity is strongly related to the vibration and fatigue equivalent load of the wind turbine nacelle, and vibration and load of the unit also change regularly under the four different turbulence intensities of 0.06, 0.08, 0.10 and 0.12, which is in good agreement with the simulation results. From the above analysis, it can be seen that for areas with high turbulence intensity, the design load of wind turbine should be modified with appropriate coefficient in order to ensure the safety of fatigue life of wind turbine. Therefore, the bearing capacity of wind turbine components in high turbulence area should be strengthened. This provides a basis for the micro sitting of wind turbines in wind farms, and has a certain guiding significance for the design of wind turbines.

wind;power generation; dynamics; wind turbine; turbulence; aerodynamic load

巫發明，楊從新，王靛，等. 湍流強度對風電機組動力學特性及載荷的影響[J]. 農業工程學報，2020，36(13)：48-55.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006 http://www.tcsae.org

Wu Faming, Yang Congxin, Wang Dian, et al. Effects of turbulence intensity on dynamic characteristics and load of wind turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 48-55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006 http://www.tcsae.org

2020-01-06

2020-05-10

政府間國際科技創新合作重點專項（2017YFE0101900）；國家自然科學基金:（11262011）

巫發明，博士，高級工程師，主要從事空氣動力學、風電機組設計與研究。Email：1wufaming@163.com

楊從新，教授，博士導師，主要從事空氣動力學、流體機械的設計與研究。Email：ycxwind@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006

TK83

A

1002-6819(2020)-13-0048-08