風切變等風況特性對風力發電機組載荷影響研究

李 偉，徐伊麗

（1.浙江運達風電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風力發電技術重點實驗室，杭州 310012）

0 引言

隨著中國風電的飛速發展與平價的到來，國內市場競爭日趨白熱化，越來越多的風場在山地、丘陵等復雜地形上開發。這些場址條件特別復雜的風場進入市場[1]，對風電機組的安全性提出更多挑戰。尤其是近年來各大風場陸續出現葉片掃塔和倒塔事故，使得行業內對機組安全性關注程度不斷增加。各整機廠家在機組設計以及定場址項目安全性復核方面也更加精細化。傳統的定場址項目的安全性校核一般重點關注微觀選址報告上的空氣密度、湍流強度和極限風速等傳統的普遍認為對機組載荷有較大影響的參數。業內對湍流強度的研究較多[2]，側重點也一般集中于對風電機組疲勞載荷的影響[3-4]。然而隨著風能資源利用力度逐漸加大和復雜地形項目的增加，尤其是復雜地形區域分散式項目的不斷增加[5]，不同機位點之間的入流角、風切變等參數差異越來越明顯，甚至出現負切變的情況，極端情況出現的概率增大，造成倒塔和葉片掃塔事故發生。如果在定場址機組安全性校核忽略這些參數對機組載荷的影響，尤其是關鍵部件的載荷影響，比如葉根和塔架載荷，則有可能對機組安全性產生影響，后果不容小覷。

目前業內和學者對近地風切變的研究工作越來越多。葛銘緯等[6]研究了風切變對風輪出力特性和載荷的影響。李娟等[7]研究了偏航角度對風力發電機組載荷的影響，對機組各主要部件載荷進行了比較歸類。廖明夫等[8]研究了機組偏航狀態下葉片載荷的控制。范忠瑤等[9]通過數值模擬研究了風切變對風力機氣動性能的影響。

本文基于Bladed 軟件，通過對比不同風切變、對風誤差和入流角下2.2 MW 風力機組的葉根和塔架統計載荷，研究這些風況特性對風力機組葉根和塔架載荷的影響，對機組定場址安全性復核時風況條件的選取具有參考意義。

1 計算方法

1.1 模型概況

本文計算機組為雙饋風力發電機組，額定功率為2 200 kW，機組的基本信息如表1所示。

表1 測試機組基本信息

1.2 計算軟件

本文所用仿真計算軟件為GH Bladed 4.3[10]，該軟件由GL Garrad Hassan 公司開發，用于風電機組載荷計算，是風電行業內的主流仿真計算軟件。

1.3 載荷分量說明

本文選取機組葉片與塔架的關鍵載荷分量進行分析，下面給出了關鍵載荷的計算坐標系：葉根坐標系與塔架坐標系[6]，如圖1所示。

圖1 葉根與塔架坐標系

1.4 工況設置

參考IEC61400-1 標準[11]開展仿真分析，計算工況均為正常運行工況，計算風況條件如下：空氣密度為標準空氣密度1.225 kg/m3；湍流強度（Iref，湍流強度期望值）為0.12；風速為3～20 m/s區間，間隔0.5 m/s。

基于上述計算條件開展仿真計算，仿真時間為600 s，對計算結果進行風速bin 區間統計分析，包括最大值、最小值、平均值以及標準差，分析不同對風誤差、風切變與入流角對于大型風力發電機組關鍵部件載荷的影響。

2 對比結果分析

2.1 不同對風誤差對載荷的影響

由于機組偏航響應的延時性以及不確定度，實際機組會存在一定的對風誤差，基于前文的計算條件，分析不同對風誤差對機組關鍵部件載荷的影響，工況設置如表2所示。

表2 工況設置1

如圖2～3 所示，對風誤差對葉根擺振Mx載荷影響非常小，因為葉根擺振載荷主要是由葉片自身重量與慣性矩引起；而對于葉根揮舞My載荷，風速10 m/s 之前，對風誤差角度對葉根My的影響較小，在額定風速附近時達到最大值；而在風速10 m/s 以后，隨著風速增大差異逐漸增大，葉根My最大值依次為對風誤差10°、0°和-10°，葉根My最小值依次為對風誤差-10°、0°和10°，標準差的差異也是隨著風速增大而增大，可以看出額定風速以上的高風速區間，隨著對風誤差角度的增加，葉根揮舞載荷增大，載荷的離散性也增大，容易出現一些極端載荷。葉片揮舞彎矩對凈空有較大影響，因此，應重點關注額定風速附近時葉片的揮舞載荷，同時關注高風速區偏航誤差角度增大后葉片揮舞載荷也增大。

圖2 葉根擺振載荷

如圖4 所示，對風誤差對塔底俯仰載荷My影響較小。如圖5 所示，對于塔底傾覆載荷Mx，在風速10 m/s以后會出現明顯差異，隨著風速增大，對風誤差10°時塔底Mx最大值、最小值和均值均變大，并且隨著風速的增加增幅變大；對風誤差-10°時塔底Mx的最大值、最小值和均值均變小。因此，高風速下大偏航誤差情況下的塔架傾覆力矩應予以重視。

圖4 塔架底部俯仰載荷

圖5 塔架底部傾覆載荷

2.2 不同風切變對載荷的影響

風切變表征風在垂直方向上的變化特征，由不同高度的全年平均風速求得風切變指數值。風資源評估常用此方法，機組定場址安全性復核時采用微觀選址報告上的風切變指數值。風切變指數值依據下式[11-12]計算得到：

式中：V(z)為高度為z的600 s 風速均值；Vhub為輪轂高度處的平均風速；α為風切變。

風切變對于機組的載荷計算和凈空評估都有很大的影響，本節設置了0.05、0.1、0.2、0.3 四種不同的風切變指數進行分析，工況如表3所示。

表3 工況設置2

如圖6所示，葉根擺振載荷Mx對風切變并不敏感。如圖7所示，在額定風速以下，風切變的變化對葉根揮舞載荷My的影響不明顯，在高風速區間，隨著風速的增大，風切變越大，葉根揮舞載荷My的最大值越大且離散性也越大，容易出現極端載荷；并且隨著風速的增大不同風切變下的葉根揮舞載荷My最大值和最小值的差異變大。因此，載荷計算時應關注風速增大時大切變下的葉片揮舞彎矩。

圖6 葉根擺振載荷

圖7 葉根揮舞載荷

如圖8 所示，風切變對于塔底俯仰載荷My的影響較小。如圖9所示，風切變對塔底傾覆載荷Mx有較大影響。在高風速區域，塔底傾覆力矩Mx的最大值、最小值和均值在風切變指數等于0.05 時基本保持不變；風切變指數越大，塔底傾覆力矩Mx越大，并且最大值超過額定風速附近的傾覆力矩，載荷差異隨著風切變指數的增大而增大，隨著風速的增大差異逐漸變大。因此，載荷計算時應關注高風速大風切情況下的塔底傾覆力矩Mx。

圖8 塔架底部俯仰載荷

圖9 塔架底部傾覆載荷

2.3 不同入流角對載荷的影響

入流角是指風來流方向與機組風輪面的垂向夾角，其受機組周圍地形的影響很大，目前標準中設定載荷計算的入流角為8°，而對于實際風場中的機位點往往受場區地形的影響，不一定是8°。機組安全性復核時風資源條件輸入中一般會分別給出每個機位點的最大入流角，需考慮入流角對載荷的影響。本節設置了0°、8°和16°三個不同的入流角開展分析。

如圖10 所示，入流角0°與8°對于葉根擺振載荷Mx影響較小，而更大的入流角16°會使得葉根擺振彎矩最大值和最小值出現的風速增大。如圖11所示，入流角越大，葉根揮舞彎矩My的最大值、最小值和平均值都越大，且出現最值時的風速也增大。這是由入流角越大，機組額定風速越大造成的。因此，在定場址機組安全性復核時需要關注不同機位點之間的入流角差異，減少入流角差異引起的對機組安全性的影響[13]。

圖10 葉根擺振載荷

圖11 葉根揮舞載荷

表4 工況設置3

如圖12所示，入流角對于塔底俯仰載荷My的影響為在風速小于額定風速時，入流角越小，塔底俯仰彎矩越大；而在風速高于額定風速時，入流角越大塔底俯仰彎矩越大，并且在額定風速范圍影響最大。如圖13所示，當風速超過額定風速時，隨著入流角的增加，塔底傾覆彎矩增大，隨著風速再增大，不同入流角之間的塔底傾覆彎矩差異減小。因此，入流角對塔底傾覆和俯仰彎矩的影響程度有明顯差異。

圖12 塔架底部俯仰載荷

圖13 塔架底部傾覆載荷

3 結束語

（1）對風誤差對于葉片擺振與塔架俯仰載荷影響較小。葉片擺振載荷最大值出現在額定風速附近；高于額定風速后，隨著風速的增大，對風誤差越大葉片揮舞載荷越大并且載荷的離散性也越大。對于塔架傾覆載荷，對風誤差越大載荷越大，并且隨著風速增加載荷增幅也增加。

（2）風切變對于葉片擺振與塔架俯仰載荷影響較小。葉片揮舞彎矩最大值出現在額定風速附近；高于額定風速后，風切變越大葉片揮舞載荷越大且離散性也越大。對于塔架傾覆，隨著風切變增大和風速增加傾覆載荷增大。

（3）入流角在額定風速附近時對葉片和塔架載荷影響較大。對于葉根揮舞彎矩My，入流角越大，載荷最大值越大；對于塔底俯仰載荷My，在風速小于額定風速時，入流角越小，塔底俯仰彎矩越大；而在風速高于額定風速時，入流角越大塔底俯仰彎矩越大，并且在額定風速范圍影響最大。

綜上所述，葉片擺振與塔架俯仰載荷對對風誤差、風切變與入流角敏感程度較低，而葉片揮舞彎矩與塔架傾覆彎矩受對風誤差、風切變與入流角影響較大，并且隨著風速的增大影響變大。