大型風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)計(jì)算相似模型構(gòu)建*

王富文，熊 偉，鄧燕飛，劉衛(wèi)東，張明明,，馬劍龍

大型風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)計(jì)算相似模型構(gòu)建*

王富文1，熊 偉2,3，鄧燕飛2，劉衛(wèi)東1，張明明2,?，馬劍龍3

（1.魯能新能源（集團(tuán)）有限公司，北京 100020；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳），廣東 深圳 518071； 3. 內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，呼和浩特 010051）

受早期新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展制約，許多處于運(yùn)營(yíng)期后期的風(fēng)電機(jī)組的各個(gè)部件出現(xiàn)不同程度的老化情況，運(yùn)行狀況呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。此時(shí)需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行建模計(jì)算以進(jìn)一步對(duì)其各部件進(jìn)行分析。對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行建立模型時(shí)，通常會(huì)遇到機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)缺失的現(xiàn)象，尤其是風(fēng)電葉片的氣動(dòng)外形部分。通過相似參考參數(shù)將風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能與葉片氣動(dòng)布局相關(guān)聯(lián)，構(gòu)建一種大型風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)計(jì)算相似模型。與目標(biāo)機(jī)組模型各項(xiàng)氣動(dòng)參數(shù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建的相似機(jī)組模型在風(fēng)能利用系數(shù)、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩、氣動(dòng)功率方面很好地反映了目標(biāo)機(jī)組性能。

大型風(fēng)電機(jī)組；風(fēng)電葉片；氣動(dòng)特性；氣動(dòng)布局；相似模型

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2025年中國(guó)將會(huì)有17個(gè)省市自治區(qū)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組滿服役期[1]；“十五五”期間將有超過32 600臺(tái)風(fēng)電機(jī)組面臨退役，單機(jī)容量多為1 ～ 2 MW機(jī)型。隨著時(shí)間推移、經(jīng)驗(yàn)積累、技術(shù)不斷進(jìn)步，對(duì)老舊風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行技術(shù)改造將成為一個(gè)較好的選擇。對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造可促進(jìn)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)老舊風(fēng)電機(jī)組翻新升級(jí)，提高發(fā)電量，延長(zhǎng)機(jī)組壽命，減少故障率，緩解老舊機(jī)組的退役處理難題，降低退役成本。

實(shí)際工程中，為科學(xué)、準(zhǔn)確地對(duì)機(jī)組進(jìn)行增效降載和零部件升級(jí)，通常需要對(duì)目標(biāo)機(jī)組建模進(jìn)行氣動(dòng)性能方面的模擬計(jì)算。但在對(duì)機(jī)組進(jìn)行建模時(shí)，通常會(huì)因部件廠家倒閉或部件設(shè)計(jì)參數(shù)保密等原因造成各部件參數(shù)缺失問題，尤其是風(fēng)電葉片的氣動(dòng)外形參數(shù)。對(duì)于此類獨(dú)特的問題，目前解決方法十分有限。王力雨等[2]基于相似準(zhǔn)則理論，提出可以通過對(duì)已有型號(hào)機(jī)組葉片進(jìn)行幾何等比縮放得到其他型號(hào)機(jī)組。但得到的新機(jī)組未考慮葉片氣動(dòng)布局和機(jī)組控制策略方面的因素。如果通過這種方法進(jìn)行構(gòu)建相似模型，將會(huì)出現(xiàn)替代機(jī)組與目標(biāo)機(jī)組在氣動(dòng)性能和功率曲線上有較大差別的現(xiàn)象，替代機(jī)組模型并不能代表目標(biāo)機(jī)組進(jìn)行計(jì)算模擬分析。

針對(duì)上述工程實(shí)際問題，本文依據(jù)葉素動(dòng)量理論（blade element momentum theory, BEMT），考慮風(fēng)電機(jī)組控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)的作用，將已有機(jī)組模型作為參照，目標(biāo)機(jī)組的氣動(dòng)特性作為相似目標(biāo)，提出一套風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能相似構(gòu)建方法。通過該方法可以將葉片作為“黑箱”，高效、快捷地建立合理的目標(biāo)機(jī)組相似模型，通過相似模型可以計(jì)算得到與目標(biāo)機(jī)組相似的氣動(dòng)力和發(fā)電特性。最后通過工程實(shí)例對(duì)本方法進(jìn)行實(shí)踐驗(yàn)證。

1 風(fēng)電機(jī)組相似構(gòu)建方法

1.1 相似構(gòu)建目標(biāo)

1.1.1 相似目標(biāo)參數(shù)選取

將式（4）代入式（1）中可得：

1.1.2 相似目標(biāo)參數(shù)獲取

1.2 風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)預(yù)測(cè)

采用葉素動(dòng)量理論[3]對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，其基本假設(shè)為葉輪臨近圓環(huán)的氣流之間不發(fā)生徑向相互作用，將作用在風(fēng)力機(jī)風(fēng)輪上的力看作葉素環(huán)上翼型升阻力的積分。圖1為葉素環(huán)與葉素的作用力的示意圖，推力、轉(zhuǎn)矩、功率均可由葉素動(dòng)量理論積分公式計(jì)算得到。

圖1 葉素環(huán)與葉素上的作用力

為精確預(yù)測(cè)風(fēng)力機(jī)實(shí)際運(yùn)行情況，除考慮風(fēng)輪氣動(dòng)性能外，還需要考慮實(shí)際機(jī)組的控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)等因素的影響。因此，使用由美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）開發(fā)的開源軟件Open FAST/AeroDyn[4]進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算。

1.3 風(fēng)電機(jī)組相似步驟

風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)性能相似擬合需要考慮多個(gè)系統(tǒng)的作用，且各個(gè)系統(tǒng)之間是互相影響的，因此需要建立合適步驟來(lái)完成機(jī)組的相似擬合工作。建立的幾項(xiàng)主要步驟如下：①相似目標(biāo)參數(shù)的獲取、處理；②機(jī)組模型控制與傳動(dòng)等部分參數(shù)設(shè)定，主要包括機(jī)組齒輪箱傳動(dòng)比、額定轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)矩等；③根據(jù)目標(biāo)機(jī)組葉片長(zhǎng)度對(duì)參考葉片進(jìn)行處理、相似構(gòu)建；④通過對(duì)比目標(biāo)機(jī)組與替代機(jī)組模型的功率、轉(zhuǎn)矩曲線判斷相似擬合工作是否符合預(yù)期。

2 風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)相似構(gòu)建

2.1 風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)布局構(gòu)建

圖2 弦長(zhǎng)與扭角多項(xiàng)式表達(dá)效果

2.2 風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)相似構(gòu)建平臺(tái)

葉片部分的擬合變量較多，擬合變量與目標(biāo)、約束之間呈非線性關(guān)系。如果人為對(duì)中間變量進(jìn)行修改，經(jīng)驗(yàn)成分較大且效率較低。因此借助迭代法驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)變量以尋找最相近的結(jié)果，具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示。整個(gè)過程包括參考葉片的選擇，相似目標(biāo)、約束的設(shè)定；迭代算法驅(qū)動(dòng)構(gòu)建變量改變，修改風(fēng)電機(jī)組葉片氣動(dòng)布局；對(duì)風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)；判斷氣動(dòng)特征是否符合預(yù)期。

圖3 相似構(gòu)建流程圖

3 工程案例分析

3.1 甘肅某風(fēng)電場(chǎng)3 MW風(fēng)電機(jī)組相似構(gòu)建

3.1.1 風(fēng)電機(jī)組主要參數(shù)

表1 3MW-113型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)

3.1.2 相似構(gòu)建效果分析

圖4 替代機(jī)組風(fēng)能利用系數(shù)（a）和推力系數(shù)（b）相似效果

圖5（a）為目標(biāo)機(jī)組與替代機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的對(duì)比情況，轉(zhuǎn)速除在5 ～ 8 m/s有0.5 r/min偏差之外，在切入到切出風(fēng)速之間的偏差幾乎可以忽略。

圖5（b、c）分別為替代機(jī)組的氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩和氣動(dòng)功率的構(gòu)建效果，轉(zhuǎn)矩最大相差0.02 MN?m左右，氣動(dòng)功率在切入到切出風(fēng)速范圍內(nèi)均有較高的相似性，替代機(jī)組額定風(fēng)速為10.8 m/s，與3MW-113型目標(biāo)機(jī)組額定風(fēng)速相差0.2 m/s。因此使用該替代機(jī)組作為3MW-113型目標(biāo)機(jī)組的相似模型進(jìn)行氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩與氣動(dòng)功率的預(yù)測(cè)計(jì)算，有較大的可參照性。

圖5 替代機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（a）、氣動(dòng)轉(zhuǎn)矩（b）、氣動(dòng)功率（c）相似效果

4 結(jié) 論

根據(jù)葉素動(dòng)量理論提出了一種大型風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)計(jì)算相似模型的相似構(gòu)建方法，并對(duì)甘肅某風(fēng)場(chǎng)3MW-113型風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行了相似構(gòu)建，結(jié)論如下：

（3）提出的相似構(gòu)建方法在氣動(dòng)方面有著較高的相似性，但忽略了風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)構(gòu)方面的因素。通過相似構(gòu)建得到的風(fēng)電機(jī)組葉片只能作為替代理論模型使用。

[1] 杜麗娟, 劉昊, 丁艷軍. 老舊風(fēng)場(chǎng)更新和技改政策給后市場(chǎng)帶來(lái)的機(jī)會(huì)探討[C]//第八屆中國(guó)風(fēng)電后市場(chǎng)交流合作大會(huì)論文集. 包頭: 中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會(huì)風(fēng)力機(jī)械分會(huì), 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì), 2021: 4. DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.009564.

[2] 王力雨, 楊飛. 相似準(zhǔn)則在風(fēng)電機(jī)組總體概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 上海大中型電機(jī), 2012(4): 10-13. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1811.2012.04.004.

[3] WILSON R E, LISSAMAN P B S, WALKER S N. Aerodynamic performance of wind turbines. Final report[R]. Corvallis: Oregon State University, 1976.

[4] JONKMAN J M, HAYMAN G J, JONKMAN B J, et al. AeroDyn v15 user’s guide and theory manual[R]. NREL Draft Report, 2015: 46.

Construction of Similar Model for Aerodynamic Calculation of Large Wind Turbine

WANG Fuwen1, XIONG Wei2,3, DENG Yanfei2, LIU Weidong1, ZHANG Mingming2,?, MA Jianlong3

(1. Luneng New Energy Group Co. Ltd., Beijing 100020, China; 2. Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518071, Guangdong, China; 3. Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

Constrained by the early development of new energy industry technology, various components of wind turbines show varying degrees of aging, and their operating conditions show a declining trend year by year. It is necessary to model and calculate the wind turbines to analyze their various components further. However, when establishing a model for the wind turbine, the phenomenon of missing design parameters of the unit is usually encountered, especially the aerodynamic shape part of the wind turbine blade. In this work, a large-scale wind turbine blade aerodynamic similarity model was constructed by associating the wind turbine’s aerodynamic performance with the blade’s aerodynamic layout through similar reference parameters. By comparing the various aerodynamic parameters of the target unit model, it was found that the constructed similar unit model reflected the performance of the target unit well in terms of wind energy utilization coefficient, aerodynamic torque, and aerodynamic power.

large-scale wind turbine; wind turbine blades; aerodynamic characteristics; pneumatic layout; similar models

2095-560X（2023）06-0572-05

TK89

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.012

2023-02-03

2023-04-28

深圳市高等院校穩(wěn)定支持計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（GXWD20220817140906007）；中國(guó)綠發(fā)投資集團(tuán)有限公司項(xiàng)目；哈爾濱工業(yè)大學(xué)（深圳）科研啟動(dòng)項(xiàng)目；內(nèi)蒙古自治區(qū)科級(jí)計(jì)劃項(xiàng)目（2021GG0436）

張明明，E-mail：mmzhang@hit.edu.cn

王富文, 熊偉, 鄧燕飛, 等. 大型風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)計(jì)算相似模型構(gòu)建[J]. 新能源進(jìn)展, 2023, 11(6): 572-576.

： WANG Fuwen, XIONG Wei, DENG Yanfei, et al. Construction of similar model for aerodynamic calculation of large wind turbine[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 572-576.

王富文（1972-），男，高級(jí)工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)研究。

張明明（1974-），男，博士，教授，主要從事大型風(fēng)電葉片、風(fēng)電機(jī)組和風(fēng)電場(chǎng)等創(chuàng)新風(fēng)能利用基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。