復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響因素分析

文 | 李鋼強(qiáng)，呂超，代魯平，田家彬

隨著風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展，我國(guó)陸上適合開(kāi)發(fā)的風(fēng)能資源、地形平坦的區(qū)域越來(lái)越少，風(fēng)電開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)正朝著地形復(fù)雜的山區(qū)以及海上方向發(fā)展。我國(guó)內(nèi)陸大部分是山地和丘陵地帶，復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)同平坦地形相比往往具有更豐富的風(fēng)能資源和更廣闊的開(kāi)發(fā)空間。復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組不僅需要承受由于地形高低起伏、風(fēng)速風(fēng)向多變、機(jī)組尾流效應(yīng)、湍流強(qiáng)度增加以及極端氣溫變化等環(huán)境因素帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，而且由于復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)年平均風(fēng)速一般較低，風(fēng)電機(jī)組需采用更長(zhǎng)的葉片和更高的塔架以獲得較高的年發(fā)電量產(chǎn)出，造成機(jī)組柔性較大、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)復(fù)雜。因此在復(fù)雜地形條件下需要對(duì)已經(jīng)按照標(biāo)準(zhǔn)安全等級(jí)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行特定場(chǎng)址安全性評(píng)估及優(yōu)化，以保證風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性和可靠性，而特定場(chǎng)址的安全性評(píng)估的重點(diǎn)是對(duì)風(fēng)電機(jī)組的載荷進(jìn)行分析。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)微觀選址、風(fēng)電機(jī)組載荷和性能等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。許昌等針對(duì)復(fù)雜地形條件應(yīng)用Jensen模型和Lissaman模型并綜合考慮尾流影響，提出了一種在復(fù)雜地形下進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)微觀選址優(yōu)化的方法；許移慶通過(guò)大量的疲勞載荷計(jì)算分析了不同設(shè)計(jì)因素對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的影響程度；歐陽(yáng)華等以某機(jī)型為例分析了不同湍流強(qiáng)度對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷、疲勞載荷和性能的影響；Raymond采用Flex5創(chuàng)建風(fēng)電機(jī)組模型，分析了不同風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組等效疲勞載荷的影響。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組特定場(chǎng)址極限載荷評(píng)估進(jìn)行研究，針對(duì)不同的空氣密度、湍流強(qiáng)度、風(fēng)傾斜角、風(fēng)切變、參考風(fēng)速和切出風(fēng)速等環(huán)境因素進(jìn)行了大量的極限載荷工況計(jì)算，分析以上影響因素對(duì)風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件極限載荷分量的影響程度和影響規(guī)律。本文主要基于以下假定和條件進(jìn)行極限載荷對(duì)比分析：

（1）對(duì)于每種環(huán)境因素的分析，均按照IEC61400－1和GL2010規(guī)范制定大量極限載荷工況，采用GH Bladed軟件對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷進(jìn)行計(jì)算，分析單一參數(shù)的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響時(shí)假定其他參數(shù)不變，如有變化將在文中單獨(dú)說(shuō)明。

（2）為使風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件極限載荷結(jié)果對(duì)比更明顯，本文選取對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核影響較大的彎矩和扭矩進(jìn)行對(duì)比，關(guān)鍵部件位置分別為葉片根部、靜態(tài)輪轂、偏航軸承和塔架底部。

（3）由于本文針對(duì)的是某一具體機(jī)型的極限載荷分析，因此對(duì)該機(jī)型的風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性分析具有重要意義，但不能代表普遍結(jié)論。限于篇幅，本文沒(méi)有給出由于風(fēng)力參數(shù)變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的影響，將另文撰述。

空氣密度對(duì)極限載荷的影響

風(fēng)電機(jī)組原始設(shè)計(jì)時(shí)空氣密度一般按標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，即1.225kg/m3進(jìn)行計(jì)算。復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)中的空氣密度往往與標(biāo)準(zhǔn)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(huì)偏離標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。風(fēng)壓與空氣密度成正比，因此空氣密度將直接影響風(fēng)電機(jī)組載荷。為了分析空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，分別選取當(dāng)空氣密度為0.8kg/m3、0.9kg/m3、1.0kg/m3、1.1kg/m3、1.2kg/m3、1.3kg/m3時(shí)進(jìn)行極限載荷計(jì)算，獲得的各部件極限載荷結(jié)果對(duì)比如圖1所示。

從圖1中可以看出，隨著空氣密度的增大，風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷基本呈現(xiàn)線性增加的趨勢(shì)，塔架底部極限載荷線性變化趨勢(shì)尤為明顯，但輪轂極限載荷Mx變化較小，說(shuō)明空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈扭矩影響較小。整體上來(lái)看，隨著空氣密度的增大，風(fēng)電機(jī)組各部件承受的極限載荷增大，需要對(duì)各部件的極限強(qiáng)度進(jìn)行校核和優(yōu)化以保證機(jī)組安全。

湍流強(qiáng)度對(duì)極限載荷的影響

湍流強(qiáng)度是風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)劃分的重要參數(shù)之一，其與離地高度和地表粗糙度有關(guān)，也受地形地貌特征的影響。在復(fù)雜地形條件下，高地、山脈以及位于上風(fēng)向的樹(shù)和建筑物等，會(huì)導(dǎo)致湍流強(qiáng)度增加。此外，風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的尾流效應(yīng)不僅影響風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電功率，還會(huì)增加湍流強(qiáng)度，從而增加風(fēng)電機(jī)組的載荷。為了分析空氣密度對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，分別選取輪轂高度處的參考湍流強(qiáng)度I15分別為0.18、0.16、0.14、0.12時(shí)進(jìn)行極限載荷計(jì)算，但對(duì)于極端湍流工況保持湍流強(qiáng)度0.11不變，獲得的各部件極限載荷結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著湍流強(qiáng)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(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)，但葉片Mx、輪轂My、偏航軸承My和塔架底部Mx沒(méi)有發(fā)生變化，均沒(méi)有超過(guò)極端湍流工況的極限載荷，通過(guò)分析載荷計(jì)算工況發(fā)現(xiàn)，這些極限載荷發(fā)生在湍流強(qiáng)度沒(méi)有變化的極端湍流工況和伴隨方向變化的極端相干陣風(fēng)工況。從整體上來(lái)看，每提高一個(gè)湍流強(qiáng)度等級(jí)，對(duì)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(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷影響

風(fēng)傾斜角對(duì)極限載荷的影響

風(fēng)電機(jī)組原始設(shè)計(jì)時(shí)風(fēng)傾斜角一般取8°，且假定風(fēng)傾斜角（向上流）不隨高度的變化而變化。但是在復(fù)雜地形條件下，尤其是位于山地區(qū)域的風(fēng)電場(chǎng)，地形的變化會(huì)影響風(fēng)傾斜角的大小。為了分析風(fēng)傾斜角對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，分別選取當(dāng)風(fēng)傾斜角為0°、4°、8°、12°、16°、20°時(shí)進(jìn)行極限載荷計(jì)算，獲得的各部件極限載荷結(jié)果對(duì)比如圖3所示。

從圖3中可以看出，隨著風(fēng)傾斜角的增大，葉片極限載荷Mx呈現(xiàn)近似線性減小趨勢(shì)，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(xiàn)階躍變化，Mz呈現(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)；偏航軸承極限載荷的變化趨勢(shì)與輪轂極限載荷趨勢(shì)一致；塔架底部極限載荷Mx和My呈現(xiàn)線性減小趨勢(shì)，但Mz呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)。從整體上來(lái)看，各部件扭矩增加程度最大，因此風(fēng)傾斜角的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)影響較大。

風(fēng)切變對(duì)極限載荷的影響

風(fēng)切變反映了風(fēng)速隨高度變化的規(guī)律，與地形地貌、地表粗糙度、熱力穩(wěn)定性相關(guān)，其中，地形地貌對(duì)風(fēng)切變的影響比地表粗糙度更明顯。通常情況下，風(fēng)速隨高度增加而增大，但在山體陡峭的復(fù)雜地形條件下，甚至?xí)a(chǎn)生負(fù)切變現(xiàn)象，即風(fēng)速隨高度的增加會(huì)減小。為了分析風(fēng)切變對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，分別選取當(dāng)風(fēng)切變系數(shù)為0.05、0.08、0.11、0.14、0.17、0.20、0.23、0.26時(shí)進(jìn)行極限載荷計(jì)算，獲得的各部件極限載荷結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

從圖4中可以看出，隨著風(fēng)切變系數(shù)的增大，葉片極限載荷My和Mz呈現(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)，Mx呈現(xiàn)近似線性減小趨勢(shì)；輪轂極限載荷Mx和My幾乎沒(méi)有變化，但輪轂極限載荷Mz呈現(xiàn)變小趨勢(shì)；偏航軸承極限載荷的變化趨勢(shì)與輪轂極限載荷趨勢(shì)幾乎一致；塔架底部極限載荷Mx、My和Mz均呈現(xiàn)近似線性減小趨勢(shì)，Mz減小量最大。從整體上來(lái)看，隨著風(fēng)切變系數(shù)的變化，風(fēng)電機(jī)組各部件扭矩變化程度較大，彎矩變化程度較小，需要重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)、變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的載荷情況。

參考風(fēng)速對(duì)極限載荷的影響

參考風(fēng)速是風(fēng)電機(jī)組安全等級(jí)劃分的重要依據(jù)之一，五十年一遇極端風(fēng)速模型（EWM50）和一年一遇極端風(fēng)速模型（EWM1）的確定都基于參考風(fēng)速，表1給出了不同安全等級(jí)下的五十年一遇極端風(fēng)速和一年一遇極端風(fēng)速的設(shè)計(jì)值。

圖3 風(fēng)傾斜角對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷影響

圖4 風(fēng)傾斜角對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷影響

表1 不同安全等級(jí)下的極端風(fēng)速

為保證風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行安全，極端風(fēng)速發(fā)生時(shí)風(fēng)電機(jī)組處于空轉(zhuǎn)或暫停狀態(tài)，因此本文僅對(duì)不同安全等級(jí)下的空轉(zhuǎn)和暫停工況進(jìn)行極端載荷計(jì)算，而其他工況保持初始安全等級(jí)III類設(shè)計(jì)。隨著風(fēng)電場(chǎng)等級(jí)的提高，參考風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)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(fēng)速的增大，葉片極限載荷Mx和Mz均呈現(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)，增幅較大；輪轂極限載荷Mz在I類風(fēng)區(qū)時(shí)超過(guò)III類設(shè)計(jì)值，My增幅較小；偏航軸承極限載荷Mx和My沒(méi)有發(fā)生變化，Mz在II類風(fēng)區(qū)之后載荷增加明顯；塔架底部極限載荷Mx受影響最大，呈現(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)，Mz增幅較?。蝗~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(méi)有超過(guò)初始設(shè)計(jì)值，因此這些極限載荷分量不受參考風(fēng)速變化的影響；參考風(fēng)速的變化對(duì)葉片和偏航扭矩影響較大，需要重點(diǎn)關(guān)注影響較大的變槳系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

切出風(fēng)速對(duì)極限載荷的影響

在復(fù)雜地形條件下，尤其是年平均風(fēng)速較低的風(fēng)電場(chǎng)，一般采用更長(zhǎng)的葉片以獲得較大的年發(fā)電量產(chǎn)出，由于葉片長(zhǎng)度的增加，將增加風(fēng)電機(jī)組的載荷，通過(guò)降低機(jī)組切出風(fēng)速是減小機(jī)組載荷是的有效途徑之一。由于年平均風(fēng)速較低的風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)速分布，其高風(fēng)速占全年小時(shí)數(shù)很少，因此對(duì)機(jī)組年發(fā)電量的影響很小，為了分析切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，分別選取當(dāng)切出風(fēng)速為20m/s、21m/s、22m/s、23m/s、24m/s、25m/s時(shí)進(jìn)行載荷計(jì)算，獲得的各部件極限載荷結(jié)果對(duì)比如圖6所示。

從圖6中可以看出，隨著切出風(fēng)速的增大，葉片極限載荷沒(méi)有變化；輪轂極限載荷Mx呈現(xiàn)近似線性增大趨勢(shì)，My沒(méi)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(shì)一致。由此可見(jiàn)在對(duì)年發(fā)電量影響很小的情況下降低切出風(fēng)速，有助于降低偏航系統(tǒng)的扭矩和塔架極限載荷，可以降低偏航系統(tǒng)、塔架和基礎(chǔ)的制造成本。

復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)載荷分析方法

本文對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組在不同環(huán)境參數(shù)變化的情況下進(jìn)行了極限載荷計(jì)算，通過(guò)大量的統(tǒng)計(jì)分析，獲得了空氣密度、湍流強(qiáng)度、風(fēng)傾斜角、風(fēng)切變、參考風(fēng)速以及切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同關(guān)鍵部件處極限載荷的影響程度，本文限于篇幅，沒(méi)有給出多參數(shù)組合變化時(shí)對(duì)風(fēng)電機(jī)組極限載荷的影響，將另文撰述。一般情況下，位于風(fēng)電場(chǎng)各個(gè)機(jī)位處的風(fēng)電機(jī)組承受的風(fēng)況條件不同，載荷也不相同，復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)中的情況更加明顯。但是風(fēng)電場(chǎng)中的機(jī)組數(shù)量少則幾十臺(tái)多則上百臺(tái)，對(duì)所有機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)的載荷計(jì)算將耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，因此尋找一種快速的載荷預(yù)測(cè)方法顯的比較重要。IEC61400－1標(biāo)準(zhǔn)的11.9節(jié)和GL2010規(guī)范的4.4.8

圖5 參考風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷影響

圖6 切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷影響

圖7 復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組載荷分析流程圖

節(jié)均給出了一種通過(guò)比較風(fēng)力數(shù)據(jù)來(lái)確定風(fēng)電機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性的方法，但在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)經(jīng)常遇到諸如某個(gè)或某幾個(gè)風(fēng)電場(chǎng)參數(shù)超出設(shè)計(jì)值的情況，因此分析所有復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力參數(shù)的變化對(duì)機(jī)組載荷的綜合影響，更能直觀的判斷風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性?；诒疚姆治鏊悸罚捎陲L(fēng)電機(jī)組各部件的極限載荷變化大都與環(huán)境參數(shù)的變化成近似線性比例關(guān)系，在風(fēng)電機(jī)組初始設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮不同環(huán)境因素變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件極限載荷的影響程度，通過(guò)統(tǒng)計(jì)大量的載荷計(jì)算結(jié)果，將每個(gè)風(fēng)力參數(shù)變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組各部件載荷的影響程度以載荷數(shù)據(jù)庫(kù)的形式保存并建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)通過(guò)風(fēng)電場(chǎng)微觀選址分析獲得各機(jī)位處風(fēng)力參數(shù)時(shí)，可以通過(guò)線性插值的方法快速計(jì)算并疊加各參數(shù)變化對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響，通過(guò)與初始設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)初始設(shè)計(jì)時(shí)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，即可預(yù)判風(fēng)電機(jī)組能否滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，該方法的實(shí)施流程如圖7所示。

結(jié)語(yǔ)

（1）本文對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組在不同環(huán)境因素變化的情況下進(jìn)行了極限載荷計(jì)算，通過(guò)大量統(tǒng)計(jì)分析，獲得了空氣密度、湍流強(qiáng)度、風(fēng)傾斜角、風(fēng)切變、參考風(fēng)速以及切出風(fēng)速對(duì)風(fēng)電機(jī)組不同關(guān)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(duì)風(fēng)電機(jī)組部件設(shè)計(jì)需要關(guān)注的重點(diǎn)。

（2）按照本文分析思路，提出了一種復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組載荷分析方法，采用該方法可以對(duì)復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的多臺(tái)風(fēng)電機(jī)組載荷進(jìn)行快速預(yù)測(cè)和分析，并對(duì)風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)適應(yīng)性進(jìn)行預(yù)判，提高了復(fù)雜地形風(fēng)電機(jī)組載荷評(píng)估效率。