文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

葉片覆冰對風電機組的影響﹡

文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

我國幅員遼闊，南北跨度大，部分風電場處于濕度大、氣溫低的環(huán)境中，葉片結冰就成為必須要考慮的因素。葉片結冰引起風電機組葉片的氣動性能改變，導致風電機組發(fā)電量降低，同時結冰質量分布不均勻會引起不平衡載荷，給風電機組的設計提出新的要求，此外，葉片拋冰還會對人員安全造成較大的隱患。國內對風電機組葉片覆冰的研究不多，李聲茂等基于二維定常不可壓縮流體的N－S方程，引入離散相DPM模型，通過數值模擬計算了不同攻角下的翼型表面結冰分布情況。張聘亭等使用CFD軟件，基于S－A湍流模型，數值模擬不同覆冰形態(tài)、厚度下的靜、動態(tài)流場，研究了不同覆冰狀態(tài)下的風電機組翼型靜、動態(tài)失速特性。何玉林等研究了覆冰對風電機組葉片翼型、功率以及年發(fā)電量的影響，證明了覆冰造成翼型的升力降低、阻力增加導致發(fā)電量損失?，F有文獻僅考慮了葉片覆冰后質量、翼型變化對葉片氣動性能以及對風電機組性能的影響，但未考慮葉片覆冰后對風電機組載荷的影響。

本文綜合考慮覆冰對葉片質量分布和葉片氣動性能的影響，基于Bladed軟件建立風電機組模型，翼型數據采用懲罰因子修正并外推，質量分布按照GL標準中規(guī)定方式計算，采用NWP風速模型，研究風電機組葉根以及輪轂中心處穩(wěn)態(tài)風速作用下的載荷變化規(guī)律與統(tǒng)計特性，為風電機組設計以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應提供參考。

覆冰后葉片的氣動性能

葉片覆冰的形狀以及長度會跟隨環(huán)境條件變化，在一定攻角范圍內，翼型表面的結冰面積隨翼型的迎風面積、風速以及空氣中水滴流量的增加而增加，在極端條件下，覆冰面積甚至可達30%。覆冰后葉片翼型改變致使風電機組輸出功率降低，嚴重時會致使風電機組停機。研究覆冰后翼型的變化對風電機組載荷以及功率輸出具有重要意義。

圖1 葉片覆冰的分布方式

一、覆冰對葉片質量影響

風電機組葉片上的冰分布方式不規(guī)則，依據GL2003標準，需要分別考慮三葉片覆冰以及兩葉片覆冰的情況，假定冰的質量分布在前緣，線密度為μE，采用的覆冰方式如圖1所示。

從風輪旋轉中心位置開始到風輪半徑1/2處，冰的線密度從0線性增長到μE；風輪半徑1/2處到風輪外緣，冰的線密度為常數μE。按照下式進行計算：

式中：μE為前緣結冰的線密度，kg/m；

ρE為冰密度，700kg/m3；

R：風輪半徑，m；

R1：1m，m；

cmax：最大弦長，m；

cmin：由葉片外形輪廓線性推算得到的葉尖弦長，m。

二、覆冰對翼型的影響

覆冰后，葉片的外形發(fā)生變化，導致翼型升力系數、阻力系數在原攻角位置發(fā)生變化，本文使用懲罰因子修正的方法對翼型原有小攻角范圍的數據進行修正，使其更符合葉片覆冰后翼型的實際情況，其方程如下：

升、阻力系數懲罰因子是通過大量實驗數據擬合得到，其方程為：

式中：α為攻角；

翼型小攻角下的氣動參數數據通常使用風洞試驗獲得，風洞試驗往往只會測失速攻角范圍內或者超出失速攻角一定范圍的數據，攻角范圍通常為－10°至20°之間。由于風電機組氣動載荷的計算需要使用攻角在[－180°,180°]的氣動參數，實測數據范圍之外的升、阻力系數以及變槳力矩系數需要通過一定的方法外推獲得。假定在大攻角時翼型作為平板考慮，翼型的氣動數據依靠展弦比以及實測數據來確定，Viterna等提出一種翼型數據外推方法：

式中∶ Cdmax：最大阻力系數；M：展弦比；

s：代表失速點或匹配點。

計算結果與分析

一、 風電機組參數

選用某1.5MW 陸上風電機組進行研究，模型參數如表1所示。

風電機組采用變速變槳矩功率控制方式，穩(wěn)態(tài)功率曲線如圖2所示。

二、 覆冰對載荷的影響

（一）翼型參數修正后外推結果比對

基于實測段數據，通過懲罰因子修正，修正后選用Viterna方法進行外推，得到攻角在[－180°，180°]內的升阻力系數數據，變槳力矩系數使用原有數據。下面以某翼型為例，將覆冰以及外推后的數據與未覆冰數據進行對比，如圖3所示。

本系統(tǒng)處理器采用s3c2440，該芯片是三星公司推出的16/32RISC處理器，采用ARM920T內核，整體設計融合了MMU，AMBA BUS和Harvard結構，具有獨立的16kB指令Cache和16kB數據Cache。Linux內核采用Linux2.6.30.4。圖像采集設備采用中星微ZC301數字攝像頭，該攝像頭為USB接口。該終端的系統(tǒng)結構圖如圖1所示。

表1 風電機組模型參數

圖2 穩(wěn)態(tài)功率曲線

從圖中可以看出，在小攻角范圍內，覆冰后的翼型升力系數低于未覆冰翼型，覆冰后的翼型阻力系數高于未覆冰翼型。因此，覆冰后的風電機組在失速攻角以下范圍內運行，受到升力系數降低、阻力系數增加的影響，改變了原有翼型的氣動性能。

（二）質量分布結果比對

葉片結冰形狀與結冰長度受環(huán)境影響顯著，需要假定質量分布方式。根據GL標準中規(guī)定的分布方式，通過計算得到覆冰前后葉片的相關參數，如表2所示。

（三）葉片結冰對葉根載荷的影響

風速模型選用NWP模型，輪轂高度處風速為10m/s，上吹角8°。葉片未覆冰與覆冰兩種情況下關鍵部件載荷時域圖，如圖4、5所示。

圖3 翼型升、阻力曲線

表2 覆冰前后葉片參數比對

從圖4中可以看出，固定輪轂坐標系下，葉片覆冰相比未覆冰，葉根處Mx彎矩值整體向下偏移，最大值減小，最小值增加，覆冰前后均值分別為310.119 kN·m、 255.409 kN·m，降低17.6%；葉根處My彎矩值整體向上偏移，覆冰后最大值為3291 kN·m、未覆冰最大值3009.9 kN·m，增加9.3%。葉片覆冰后小攻角范圍內升力系數降低、阻力系數增加，影響葉片的氣動性能，進而影響風電機組葉片的載荷。

圖5為固定輪轂坐標系下，輪轂載荷分量的時域圖。葉片結冰后相比未結冰，輪轂Mx載荷均值下降，且表現出不穩(wěn)定性，表明翼型發(fā)生變化后控制系統(tǒng)不能對風輪轉速進行精確控制；輪轂My彎矩曲線整體向下偏移，最大值由642.50kN·m下降到473.40 kN·m，下降26.3%，均值由369.56 kN·m下降到252.16kN·m，下降31.77%；輪轂Mz曲線最大值、均值、最小值分別增加6.4%、 44.0%、800%，但是由于Mz整體數值偏小，因此，葉片結冰后的載荷對輪轂影響不大。

圖4 葉根處載荷時域圖

三、 葉片結冰對功率的影響

從圖5中可以看出，翼型修正后，功率曲線整體向右偏移，表明相同風速下，翼型修正后相比未修正功率出現下降，達到額定功率時的風速為11.4m/s，修正翼型后穩(wěn)態(tài)功率下降范圍在10%－30%內。當風速在11.4m/s到12.9m/s區(qū)間內，功率曲線出現急劇下降，表明翼型修正后風電機組葉片出現失速，控制系統(tǒng)對風電機組變槳動作在額定風速附近區(qū)域不能精確調整。風電機組在此段風速區(qū)間內，葉片有可能在失速條件下工作，引起顫振的可能性較大，影響風電機組的安全穩(wěn)定運行。因此，出現風電機組葉片結冰的情況時，需要對控制系統(tǒng)中控制策略做出改變以適應覆冰情況。

圖5 輪轂處載荷時域圖

四、 葉片結冰對發(fā)電量的影響

圖6 穩(wěn)態(tài)功率曲線

本文所用風電機組為S等級，根據IEC標準設計，年平均風速6.5m/s，風頻分布采用瑞利分布，瑞利分布如下：

式中：Vhub為輪轂高度處風速；

Vave為年平均風速。

根據穩(wěn)態(tài)功率曲線，每個風速對應一個功率，在某段時間內風速服從瑞利分布，某段時間內的發(fā)電量表示為：

式中：T為某段時間；

P(Vhub)為對應輪轂高度處風速下的功率。

本文所用風電機組設計一年中覆冰時間168h，計算正常發(fā)電與覆冰后發(fā)電量分別為100053.00kW·h、82238.48 kW·h，差值為17814.52kW·h，下降17.8%。實際運行中，覆冰的時間不確定，但是隨著覆冰時間的增加發(fā)電量損失逐漸增大，冰對發(fā)電量的影響需要考慮。

結語

對葉片覆冰后的風電機組，綜合考慮葉片翼型變化與質量變化，得到以下結論：對翼型升、阻力系數進行懲罰因子修正，修正后小攻角范圍內升力系數下降、阻力系數增加；由于翼型參數的改變，導致Cp降低，在低于額定風速時引起發(fā)電量的損失，輪轂My轉矩增加，對葉根處疲勞壽命影響很大；葉片覆冰后，本文所選用風電機組葉片在額定風速附近出現失速，表明葉片覆冰后，控制系統(tǒng)不能對葉片變槳動作做精確控制；通過懲罰因子修正的方法，考慮葉片覆冰后翼型變化，研究結果可為風電機組極限載荷統(tǒng)計以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應設計提供參考。

（作者單位：北京鑒衡認證中心）