復雜場址陣風特性與機組載荷研究*

李 濤，王瑞良，徐伊麗，孫 勇，金華斌

（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 310000）

0 引言

隨著我國風資源的大規模開發，場址條件優質的風場已經所剩不多，越來越多的條件復雜的劣質風場進入市場[1]。這類風場以山地地形為主，其特點是風況湍流條件惡劣，出現復雜陣風風況較多，并且陣風幅度大[2]。極端陣風風況會給機組載荷以及機組安全性帶來極大的挑戰，極端陣風特性與機組載荷的研究一直是行業的熱點，大量學者對此進行了研究分析。張林偉等[3]對極端陣風條件下大型風力機組的葉片極限載荷進行了研究，得到了不同陣風上升時間、變槳速率等因素對葉片極限載荷的影響；李媛等[4]通過Matlab軟件建立了極端陣風模型，并進行了各級負載級別的載荷計算；盧小光等[5]基于激光雷達的精確測風，研究了陣風識別算法，設計了變槳前饋控制算法，有效降低了陣風工況機組所受的載荷。T Kim 等[6]介紹了在風速變化約10 m/s的極端陣風條件下機組的動態響應，并將數值模擬結果與實測數據進行了對比。J Mann等[7]為了引入更真實的隨機極端荷載情況，開發了一種通用的高斯陣風模擬理論，并通過仿真對極端風況的載荷響應做了研究。極端陣風對機組的安全性影響巨大，本文通過雷達精確測風設備監測復雜場址風場的風況，識別現場出現的極端陣風風況，基于大數據篩選建立了幾種實測陣風模型，開展了不同陣風模型機組載荷特性的研究，對關鍵部件載荷的敏感性進行分析，并與IEC 規范的陣風模型進行了對比，同時考慮了陣風對葉片凈空響應的影響。

1 基本信息

1.1 測試機組分析

本文以3MW 雙饋風力發電機組作為測試機組，塔架高度為100 m，風輪直徑140 m，機組信息如表1 所示。該機組所在風場為復雜山地地形，風況條件較為惡劣，經常會出現復雜的極端風況，通過安裝激光雷達測風設備進行風況的實時監控。

表1 測試機組基本信息Tab.1 Test turbines information

1.2 雷達測風

機艙式激光測風雷達系統是一種安裝在風力發電機組機艙頂端的連續激光測風裝置，基于多普勒頻移的連續式相干探測雷達，能夠對機艙葉輪前方固定距離出的矢量風場進行精確測量，并通過算法精準得到風輪面前的有效風速[8-9]。如圖1所示。

圖1 激光雷達測風示意圖

雷達安裝放置位置與地面水平，確定安裝位置與高度，確保風機的任何部位不會對雷達的出光造成遮擋。該機艙式雷達由4束光纖組成，實測風況由4束激光數據矢量合成，以10 min 為一個樣本儲存，通過算法合成得到風輪面處的實際風況。

2 極端陣風分析

2.1 極端相干陣風

陣風的主要特點是風速或風向在短時間內急劇變化，依據國際通用標準IEC61400-1 規定[10-11]，風向變化的極端相干陣風幅值為:

風速由下式確定：

式中：T=10 s，是上升時間，風速變化如圖2所示。

圖2 陣風風速上升幅值

假定風速的上升與風向變化θ從0°到θcg是同步的，θcg由式（3）確定，同步的風向變化如式（4）所示。式中T=10 s 是上升時間風向的變化θcg與風速v的關系以及風向變化θ（t）與時間的關系如圖3所示。

圖3 陣風風向變化示意圖

2.2 實測陣風解析

現場實際的風況是隨機多變的，基于雷達精確測風技術，記錄了風況條件惡劣機位點長期的風速情況。通過數據發現現場存在一些比標準陣風模型更為惡劣的陣風，圖4所示為一典型極端陣風，12:13:30-12:13:40區間風速發生了急劇增大，其陣風幅值已經超過了15 m/s，上升時間僅為7 s，可以看出現場會出現比標準更為惡劣的陣風。

圖4 實測典型陣風工況

基于長期的測試數據對陣風進行篩選統計，陣風的強度主要由初始風速、陣風幅值以及上升時間確定，以陣風幅值以及上升時間做完篩選變量。其中規范標準推薦幅值為15 m/s，上升時間為10 s，該文篩選出陣風變化幅值超過15 m/s以及上升時間低于10 s的風況進行統計。

基于大量的實測風況數據，通過對測試數據的處理與識別，測試數據中統計出一些典型了極端陣風案例，下面給出了4組典型的極端陣風分布用4種編號表示。陣風時序如圖5 所示，其中case1 的陣風幅值達到了18.77 m/s，遠大于規范的標準值15 m/s，同時上升時間為6 s，該類陣風遠比標準風況惡劣。case3 與case4 則給出了另一典型的極端陣風，其特點為上升時間特別短，在短時間內風速急速上升，同時陣風幅值也超過了15 m/s。

圖5 實測陣風識別

表2 所示為上述典型陣風的統計值，陣風幅值與上升時間能反映陣風的強弱，為了與標準陣風對比，以4 m/s 為初始風速，設定標準IEC 陣風模型。圖6 所示為4 組擬合陣風時序以及IEC 標準陣風曲線對比，可以看出現場的風況遠比計算標準風況復雜惡劣，現場出現惡劣陣風都是在短時間內，上升時間為2～6 s之間，而陣風幅值也常會出現超過15 m/s 的。對于極端時間內的風速幅值變化，由于機組變槳響應有延遲，在這種風況下機組的載荷與凈空將會受到較大的影響。

圖6 實測陣風時序

表2 陣風統計值Tab.2 Gust statistics

為了驗證標準陣風模型的有效性，分別將上升時間2 s 與6 s 的實測陣風數據進行擬合，基于實測陣風統計的陣風幅值與上升時間，用IEC 標準陣風模型生成該條件下標準的陣風時序。圖7 所示為上升時間為6 s 時實測陣風與標準擬合模型的時序，可以看出case1實測陣風要比標準模型更加惡劣，case2則反映出現場風況變化波形的隨機性，陣風的整體線性擬合情況一般，標準模型相比實測數據有些差異。圖8 所示為上升時間為2 s 的陣風擬合情況，可以看出在上升時間為更短的2 s時，標準模型能夠很好地擬合出實測陣風，在整體時序上也能較好地復現。

圖7 實測陣風擬合（上升時間6 s）

圖8 實測陣風擬合（上升時間2 s）

3 載荷與凈空分析

該文基于測試數據識別的極端陣風數據，對機組在極端陣風下的響應進行分析，以3 MW 機組模型進行仿真對比，采用業內常用的Bladed 軟件進行模擬，由于風電機組的偏航速率很低，仿真過程中將不考慮偏航動作。風電機組運行過程中，葉片與塔架的載荷尤為重要，塔架俯仰彎矩與葉根揮舞彎矩需重點關注。將上述識別的4 種陣風作為輸入條件，對比分析不同極端陣風下葉根與塔架彎矩的影響。

3.1 載荷影響

圖9 所示為上述4 種極端陣風條件下塔底俯仰載荷時序，在陣風來臨時，機組進行變槳卸載動作，由于存在時間的滯后性，塔底俯仰彎矩急劇增大隨后再減小，急劇增大的極限載荷比正常運行時要大很多，對整機的安全性有較大影響。同時可以看出塔架載荷響應大小對陣風幅值更為敏感，陣風幅值越大塔底俯仰極限載荷越大。在相同陣風幅值的條件下，上升時間越長，塔底俯仰彎矩的極限越大。通過表3 的數據統計，與標準模型響應對比，當陣風幅值達到18.77 m時，塔架俯仰載荷遠大于標準工況的載荷。

表3 載荷響應Tab.3 Load responsestatistics

圖9 塔底載荷響應時序

圖10所示為不同極端陣風條件下葉根揮舞載荷，葉片揮舞載荷隨著風速的增大而急劇增大，隨后卸載減小。可以看出葉片載荷響應大小對陣風的上升時間更為敏感，上升時間越短極限載荷越大，這因為陣風幅值變化時間太快，由于葉片慣性的影響，變槳動作有一定滯后，導致葉片卸載過慢，此時葉片的揮舞極限載荷會急劇變大，而對于上升時間較長的陣風工況，葉片有一定的變槳響應時間，其載荷相應的要小。

圖10 葉片載荷響應時序

3.2 凈空影響

復雜場址出現的高幅值極端陣風會對葉片的凈空帶來更大的挑戰，突然出現的極端陣風由于變槳反應的滯后性，葉片變形會變大，帶來掃塔的風險，一旦機組葉片掃塔，帶來的經濟損失是巨大的。為了更清晰地了解陣風對于凈空的影響，考慮不同幅值與上升時間的組合，對機組的凈空響應進行了統計，分析其對葉片凈空的影響。

各種風況組合情況下仿真計算的葉片凈空如表4 與圖11 所示，可以看出極端陣風對于葉片的凈空有很大的影響。現場陣風幅值越大，葉片的凈空響應越小。同時陣風的初始風速越小，機組響應的凈空值相對會大。而在7 m 初始風速時疊加陣風產生的凈空已經相對較小，此時已經有掃塔的風險。對于陣風的上升時間，整體規律上是上升時間越短，對機組的凈空越不利。

表4 凈空響應統計值Tab.4 Clearance response statistics

圖11 凈空響應示意圖

4 結束語

該文針對復雜山地場址常出現的極端陣風，通過安裝激光雷達測風設備，監測復雜場址風場出現的陣風風況，基于測風數據識別了幾種實測陣風數據，并驗證其與規范模型陣風的差異，開展了不同陣風對機組載荷特性以及機組凈空的研究。結果表明，復雜場址實測陣風比規范的陣風模型要更為惡劣，對于上升時間較長的陣風風況，標準模型將不能很好地復現實際的情況。對于載荷響應，機組的塔底載荷對陣風幅值更為敏感，陣風幅值越大塔架極限載荷越大，而葉根載荷對于陣風的上升時間更為敏感，上升時間越短葉片極限載荷越大，所以對于極端陣風較多的場址，需對機組做對應的安全性復核。同時陣風對于葉片的凈空具有很大的影響，特別是上升時間較短的極端陣風工況，對于條件惡劣陣風頻繁的場址，需要重點關注葉片的凈空問題，避免出現葉片掃塔的情況。