不同風況條件對風力發(fā)電機組等效疲勞載荷的影響*

劉 為，王瑞良，孫 勇，章培成，楊 翀

（1.浙江運達風電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風力發(fā)電技術(shù)重點實驗室，杭州 310000）

0 引言

隨著風電技術(shù)的不斷發(fā)展，風機葉片不斷增大，風機容量也在不斷提高[1]。大型風力發(fā)電機組運行在復雜的自然環(huán)境中，所承受的載荷非常復雜[2-3]。在中國，不同地區(qū)的空氣密度、湍流強度和平均風速差異較大，研究不同的風況條件對風機等效疲勞載荷的影響具有一定的工程意義。付德義等[4]主要分析了湍流強度對機組塔底彎矩的影響。

本文基于GH Bladed軟件[5-6]，通過對比多種空氣密度、湍流強度和平均風速下某2.5 MW 風力發(fā)電機組的等效疲勞載荷，分析空氣密度、湍流強度和平均風速對機組等效疲勞載荷的影響。

1 計算方法

1.1 風電機組

本文采用某雙饋型風電機組，額定功率2 500 kW，風輪為三葉片上風向，風輪直徑140 m，輪轂高度100 m，機組切入風速Vin＝2.5 m/s，切出風速Vout＝20 m/s，參考風速Vref＝37.5 m/s。

1.2 坐標系

本次載荷計算主要使用以下6 種坐標系[7]：葉根坐標系、葉片弦坐標系、旋轉(zhuǎn)輪轂坐標系、固定輪轂坐標系、偏航坐標系、塔架坐標系，如圖1 所示。

1.3 載荷分量選取

大型風力發(fā)電機組不同部件校核選取的載荷坐標分量不同。如1.2節(jié)所示6個坐標系包含48個載荷分量，且每個分量包含多個SN曲線反斜率M值。為了方便分析，本文中選取幾個關(guān)鍵載荷分量，SN曲線反斜率M＝4的結(jié)果進行分析，具體分量如表1所示。

表1 關(guān)鍵載荷坐標分量

1.4 計算軟件

本文所用仿真計算軟件為GH Bladed 4.3，該軟件為GL Garrad Hassan 公司開發(fā)的用于風電機組載荷計算的行業(yè)內(nèi)主流仿真計算軟件[5-6]。

1.5 工況設置

本次計算參考標準為：IEC61400-1 第三版標準[8]，疲勞工況如表2所示。

1.6 風況條件

本文選取的風況條件：空氣密度為1.00 kg/m3、1.05 kg/m3、1.1 kg/m3、1.15 kg/m3、1.20 kg/m3、1.225 kg/m3、1.25 kg/m3；湍 流 強 度（Iref） 期 望 值 為0.12、0.13、0.14、0.15、0.16；平均風速為5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s。

圖1 6種載荷坐標系

基于以上條件分析不同風況條件對大型風力發(fā)電機組的等效疲勞載荷的影響。

表2 疲勞工況表

2 仿真結(jié)果與分析

基于計算條件，采用Bladed 4.3軟件計算疲勞工況，然后采用雨流計算得到各風況條件下的各關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷。

2.1 不同空氣密度對機組等效疲勞載荷的影響

基于相同的湍流強度（Iref＝0.12）和平均風速（6 m/s），分析不同空氣密度對機組關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷影響，各空氣密度與空氣密度為1.00 kg/m3的等效疲勞載荷對比結(jié)果如表3所示。

由表3 和圖2 可知，隨著空氣密度的增加，葉根MX、輪轂MX和偏航MX等效疲勞載荷基本不變，其他幾個主要載荷分量均程增大趨勢，且近似線性增加。不同分量增大幅度略有不同，空氣密度增大至1.25 kg/m3，相對于空氣密度為1.00 kg/m3時等效疲勞載荷增大了15%～28%，其中塔底MY增加最多，其次是塔底MX，其他幾個載荷分量的增加量比較接近。

表3 不同空氣密度下等效疲勞載荷對比表

圖2 不同空氣密度下等效疲勞載荷對比圖

2.2 不同湍流強度對機組等效疲勞載荷的影響

基于相同的空氣密度（1.225 kg/m3）和平均風速（6 m/s），分析不同湍流強度對機組關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷影響，各湍流強度與湍流強度（Iref＝0.12）的等效疲勞載荷對比結(jié)果如表4所示。

由表4 與圖3 可以發(fā)現(xiàn)，葉根MX的等效疲勞載荷不隨湍流強度變化而變化，其主要受葉根的重力矩影響；其他幾個主要載荷分量均程增大趨勢，且近似線性增加。不同分量增大幅度略有不同。從圖中可以發(fā)現(xiàn)隨著湍流強度的增加，根據(jù)最大增加量的多少，各關(guān)鍵載荷分量可以分為3組：第一組葉根MZ，增加量最少，大約增加7%；第二組，葉根MY、輪轂MX、輪轂MY、輪轂MZ和偏航MX，增加量居中，約為21%～24%；第三組，偏航MY、偏航MZ、塔底MX、塔底MY和塔底MZ，增加量最多，大約為28%～30%。

表4 不同湍流強度下等效疲勞載荷對比表

圖3 不同湍流強度下等效疲勞載荷對比圖

2.3 不同平均風速對機組等效疲勞載荷的影響

基于相同的空氣密度（1.225 kg/m3）和湍流強度（Iref＝0.12），分析不同平均風速對機組關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷影響，各平均風速與平均風速（5 m/s）的等效疲勞載荷對比結(jié)果如表5所示。

由表5 與圖4 可以發(fā)現(xiàn)，隨著平均風速的增加，各主要載荷分量均程增大趨勢，且近似線性增加。不同分量增大幅度略有不同。從圖中可知隨著平均風速的增加，根據(jù)最大增加量的多少，各關(guān)鍵載荷分量可以分為3 組：第一組塔底MX，增加量最大，大約增加134%；第二組，葉根MY、輪轂MY、輪轂MZ、偏航MY、偏航MZ、塔底MX、塔底MY和塔底MZ，增加量其次，大約為42%～47%；第三組，葉根MX、葉根MZ、輪轂MX和偏航MX增加量最少，為10%～21%。

表5 不同平均風速下等效疲勞載荷對比表

圖4 不同平均風速下等效疲勞載荷對比圖

3 結(jié)束語

（1）隨著空氣密度的增加，葉根MX、輪轂MX和偏航MX等效疲勞載荷基本不變，其他幾個主要載荷分量均呈增大趨勢，且近似線性增加，不同分量增大幅度略有不同。

（2）葉根MX的等效疲勞載荷不隨湍流強度變化而變化；其他幾個主要載荷分量的等效疲勞載荷均隨湍流強度的增大而增加，且近似線性增加。

（3）隨著平均風速的增加，各主要載荷分量的等效疲勞載荷均呈增大趨勢，且近似線性增加。

綜上所述，在不同風況條件下，葉根MX、輪轂MX和偏航MX的等效疲勞載荷對空氣密度的變化不敏感，而葉根MX的等效疲勞載荷對湍流強度的變化不敏感，其他關(guān)鍵載荷分量的等效疲勞載荷隨著空氣密度、湍流強度、平均風速的增大基本呈線性增大趨勢。