文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

葉片覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響﹡

文 | 孫少華，徐洪雷，符鵬程，蔡繼峰

我國(guó)幅員遼闊，南北跨度大，部分風(fēng)電場(chǎng)處于濕度大、氣溫低的環(huán)境中，葉片結(jié)冰就成為必須要考慮的因素。葉片結(jié)冰引起風(fēng)電機(jī)組葉片的氣動(dòng)性能改變，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量降低，同時(shí)結(jié)冰質(zhì)量分布不均勻會(huì)引起不平衡載荷，給風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)提出新的要求，此外，葉片拋冰還會(huì)對(duì)人員安全造成較大的隱患。國(guó)內(nèi)對(duì)風(fēng)電機(jī)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(guò)數(shù)值模擬計(jì)算了不同攻角下的翼型表面結(jié)冰分布情況。張聘亭等使用CFD軟件，基于S－A湍流模型，數(shù)值模擬不同覆冰形態(tài)、厚度下的靜、動(dòng)態(tài)流場(chǎng)，研究了不同覆冰狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組翼型靜、動(dòng)態(tài)失速特性。何玉林等研究了覆冰對(duì)風(fēng)電機(jī)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(dǎo)致發(fā)電量損失?，F(xiàn)有文獻(xiàn)僅考慮了葉片覆冰后質(zhì)量、翼型變化對(duì)葉片氣動(dòng)性能以及對(duì)風(fēng)電機(jī)組性能的影響，但未考慮葉片覆冰后對(duì)風(fēng)電機(jī)組載荷的影響。

本文綜合考慮覆冰對(duì)葉片質(zhì)量分布和葉片氣動(dòng)性能的影響，基于Bladed軟件建立風(fēng)電機(jī)組模型，翼型數(shù)據(jù)采用懲罰因子修正并外推，質(zhì)量分布按照GL標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定方式計(jì)算，采用NWP風(fēng)速模型，研究風(fēng)電機(jī)組葉根以及輪轂中心處穩(wěn)態(tài)風(fēng)速作用下的載荷變化規(guī)律與統(tǒng)計(jì)特性，為風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應(yīng)提供參考。

覆冰后葉片的氣動(dòng)性能

葉片覆冰的形狀以及長(zhǎng)度會(huì)跟隨環(huán)境條件變化，在一定攻角范圍內(nèi)，翼型表面的結(jié)冰面積隨翼型的迎風(fēng)面積、風(fēng)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(dá)30%。覆冰后葉片翼型改變致使風(fēng)電機(jī)組輸出功率降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使風(fēng)電機(jī)組停機(jī)。研究覆冰后翼型的變化對(duì)風(fēng)電機(jī)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(duì)葉片質(zhì)量影響

風(fēng)電機(jī)組葉片上的冰分布方式不規(guī)則，依據(jù)GL2003標(biāo)準(zhǔn)，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(zhì)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(fēng)輪旋轉(zhuǎn)中心位置開(kāi)始到風(fēng)輪半徑1/2處，冰的線密度從0線性增長(zhǎng)到μE；風(fēng)輪半徑1/2處到風(fēng)輪外緣，冰的線密度為常數(shù)μE。按照下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：μE為前緣結(jié)冰的線密度，kg/m；

ρE為冰密度，700kg/m3；

R：風(fēng)輪半徑，m；

R1：1m，m；

cmax：最大弦長(zhǎng)，m；

cmin：由葉片外形輪廓線性推算得到的葉尖弦長(zhǎng)，m。

二、覆冰對(duì)翼型的影響

覆冰后，葉片的外形發(fā)生變化，導(dǎo)致翼型升力系數(shù)、阻力系數(shù)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(duì)翼型原有小攻角范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，使其更符合葉片覆冰后翼型的實(shí)際情況，其方程如下：

升、阻力系數(shù)懲罰因子是通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到，其方程為：

式中：α為攻角；

翼型小攻角下的氣動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)通常使用風(fēng)洞試驗(yàn)獲得，風(fēng)洞試驗(yàn)往往只會(huì)測(cè)失速攻角范圍內(nèi)或者超出失速攻角一定范圍的數(shù)據(jù)，攻角范圍通常為－10°至20°之間。由于風(fēng)電機(jī)組氣動(dòng)載荷的計(jì)算需要使用攻角在[－180°,180°]的氣動(dòng)參數(shù)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)范圍之外的升、阻力系數(shù)以及變槳力矩系數(shù)需要通過(guò)一定的方法外推獲得。假定在大攻角時(shí)翼型作為平板考慮，翼型的氣動(dòng)數(shù)據(jù)依靠展弦比以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)確定，Viterna等提出一種翼型數(shù)據(jù)外推方法：

式中∶ Cdmax：最大阻力系數(shù)；M：展弦比；

s：代表失速點(diǎn)或匹配點(diǎn)。

計(jì)算結(jié)果與分析

一、 風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

選用某1.5MW 陸上風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行研究，模型參數(shù)如表1所示。

風(fēng)電機(jī)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(duì)載荷的影響

（一）翼型參數(shù)修正后外推結(jié)果比對(duì)

基于實(shí)測(cè)段數(shù)據(jù)，通過(guò)懲罰因子修正，修正后選用Viterna方法進(jìn)行外推，得到攻角在[－180°，180°]內(nèi)的升阻力系數(shù)數(shù)據(jù)，變槳力矩系數(shù)使用原有數(shù)據(jù)。下面以某翼型為例，將覆冰以及外推后的數(shù)據(jù)與未覆冰數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(nèi)核，整體設(shè)計(jì)融合了MMU，AMBA BUS和Harvard結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)立的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache。Linux內(nèi)核采用Linux2.6.30.4。圖像采集設(shè)備采用中星微ZC301數(shù)字?jǐn)z像頭，該攝像頭為USB接口。該終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

表1 風(fēng)電機(jī)組模型參數(shù)

圖2 穩(wěn)態(tài)功率曲線

從圖中可以看出，在小攻角范圍內(nèi)，覆冰后的翼型升力系數(shù)低于未覆冰翼型，覆冰后的翼型阻力系數(shù)高于未覆冰翼型。因此，覆冰后的風(fēng)電機(jī)組在失速攻角以下范圍內(nèi)運(yùn)行，受到升力系數(shù)降低、阻力系數(shù)增加的影響，改變了原有翼型的氣動(dòng)性能。

（二）質(zhì)量分布結(jié)果比對(duì)

葉片結(jié)冰形狀與結(jié)冰長(zhǎng)度受環(huán)境影響顯著，需要假定質(zhì)量分布方式。根據(jù)GL標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的分布方式，通過(guò)計(jì)算得到覆冰前后葉片的相關(guān)參數(shù)，如表2所示。

（三）葉片結(jié)冰對(duì)葉根載荷的影響

風(fēng)速模型選用NWP模型，輪轂高度處風(fēng)速為10m/s，上吹角8°。葉片未覆冰與覆冰兩種情況下關(guān)鍵部件載荷時(shí)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(shù)比對(duì)

從圖4中可以看出，固定輪轂坐標(biāo)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(nèi)升力系數(shù)降低、阻力系數(shù)增加，影響葉片的氣動(dòng)性能，進(jìn)而影響風(fēng)電機(jī)組葉片的載荷。

圖5為固定輪轂坐標(biāo)系下，輪轂載荷分量的時(shí)域圖。葉片結(jié)冰后相比未結(jié)冰，輪轂Mx載荷均值下降，且表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，表明翼型發(fā)生變化后控制系統(tǒng)不能對(duì)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)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(shù)值偏小，因此，葉片結(jié)冰后的載荷對(duì)輪轂影響不大。

圖4 葉根處載荷時(shí)域圖

三、 葉片結(jié)冰對(duì)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(fēng)速下，翼型修正后相比未修正功率出現(xiàn)下降，達(dá)到額定功率時(shí)的風(fēng)速為11.4m/s，修正翼型后穩(wěn)態(tài)功率下降范圍在10%－30%內(nèi)。當(dāng)風(fēng)速在11.4m/s到12.9m/s區(qū)間內(nèi)，功率曲線出現(xiàn)急劇下降，表明翼型修正后風(fēng)電機(jī)組葉片出現(xiàn)失速，控制系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組變槳?jiǎng)幼髟陬~定風(fēng)速附近區(qū)域不能精確調(diào)整。風(fēng)電機(jī)組在此段風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，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(fēng)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此，出現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組葉片結(jié)冰的情況時(shí)，需要對(duì)控制系統(tǒng)中控制策略做出改變以適應(yīng)覆冰情況。

圖5 輪轂處載荷時(shí)域圖

四、 葉片結(jié)冰對(duì)發(fā)電量的影響

圖6 穩(wěn)態(tài)功率曲線

本文所用風(fēng)電機(jī)組為S等級(jí)，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，年平均風(fēng)速6.5m/s，風(fēng)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(fēng)速；

Vave為年平均風(fēng)速。

根據(jù)穩(wěn)態(tài)功率曲線，每個(gè)風(fēng)速對(duì)應(yīng)一個(gè)功率，在某段時(shí)間內(nèi)風(fēng)速服從瑞利分布，某段時(shí)間內(nèi)的發(fā)電量表示為：

式中：T為某段時(shí)間；

P(Vhub)為對(duì)應(yīng)輪轂高度處風(fēng)速下的功率。

本文所用風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)一年中覆冰時(shí)間168h，計(jì)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(shí)際運(yùn)行中，覆冰的時(shí)間不確定，但是隨著覆冰時(shí)間的增加發(fā)電量損失逐漸增大，冰對(duì)發(fā)電量的影響需要考慮。

結(jié)語(yǔ)

對(duì)葉片覆冰后的風(fēng)電機(jī)組，綜合考慮葉片翼型變化與質(zhì)量變化，得到以下結(jié)論：對(duì)翼型升、阻力系數(shù)進(jìn)行懲罰因子修正，修正后小攻角范圍內(nèi)升力系數(shù)下降、阻力系數(shù)增加；由于翼型參數(shù)的改變，導(dǎo)致Cp降低，在低于額定風(fēng)速時(shí)引起發(fā)電量的損失，輪轂My轉(zhuǎn)矩增加，對(duì)葉根處疲勞壽命影響很大；葉片覆冰后，本文所選用風(fēng)電機(jī)組葉片在額定風(fēng)速附近出現(xiàn)失速，表明葉片覆冰后，控制系統(tǒng)不能對(duì)葉片變槳?jiǎng)幼髯鼍_控制；通過(guò)懲罰因子修正的方法，考慮葉片覆冰后翼型變化，研究結(jié)果可為風(fēng)電機(jī)組極限載荷統(tǒng)計(jì)以及控制系統(tǒng)在覆冰情況下的響應(yīng)設(shè)計(jì)提供參考。

（作者單位：北京鑒衡認(rèn)證中心）