王瑞良，孫 勇，劉 為，李 濤

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310000）

0 前言

風(fēng)電是目前最有競(jìng)爭(zhēng)力的可再生能源發(fā)電生力軍[1]。近年來(lái)，風(fēng)電行業(yè)發(fā)展迅猛，中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)量一直穩(wěn)居世界第一排名，隨著風(fēng)電行業(yè)的發(fā)展以及平價(jià)市場(chǎng)的普及，針對(duì)實(shí)際的投標(biāo)項(xiàng)目，各整機(jī)廠家在機(jī)組塔架設(shè)計(jì)上均采用定場(chǎng)址計(jì)算來(lái)保障機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。定場(chǎng)址計(jì)算的主要數(shù)據(jù)來(lái)源于風(fēng)資源的微觀選址報(bào)告，其中確定風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)選型以及安裝高度的一個(gè)重要參數(shù)就是風(fēng)切變指數(shù)[2-4]。近年來(lái)，風(fēng)能資源利用力度逐漸加大，近地風(fēng)切變的研究工作越來(lái)越受重視[5-7]。

微觀選址報(bào)告中一般為一年以上的測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)，風(fēng)切變的擬合是采用不同高度下的年平均風(fēng)速來(lái)計(jì)算的，采用該方法擬合的風(fēng)切進(jìn)行載荷評(píng)估，并不能真實(shí)反映場(chǎng)址的載荷狀態(tài)，甚至低估了風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際載荷，嚴(yán)重影響機(jī)組的可靠性以及疲勞壽命，因此開(kāi)展風(fēng)切對(duì)載荷影響的評(píng)估顯得尤為必要。

本文基于傳統(tǒng)的風(fēng)切計(jì)算方法從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度進(jìn)行分析，依據(jù)風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到載荷計(jì)算輸入的風(fēng)切變，并通過(guò)仿真與測(cè)試比對(duì)，驗(yàn)證方法的可行性。

1 傳統(tǒng)風(fēng)切變計(jì)算方法

傳統(tǒng)計(jì)算風(fēng)切變有兩種方法，一種是采用不同高度的全年平均風(fēng)速求風(fēng)切變指數(shù)值；另一種是求每個(gè)10 min的風(fēng)切變數(shù)據(jù)。

1.1 全年平均風(fēng)速法

該方法是微觀選址常用的方法，首先計(jì)算不同高度的年平均風(fēng)速，由不同高度的年平均風(fēng)速依據(jù)式（2）來(lái)計(jì)算風(fēng)切[8-9]：

式中：vi(h)為高度為h的600 s風(fēng)速均值；n為測(cè)得的樣本總數(shù)；α 為風(fēng)切變。

1.2 風(fēng)切取平均法

本方法計(jì)算每個(gè)600 s 的風(fēng)切值，然后對(duì)數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)的所有風(fēng)切取平均。

2 概率統(tǒng)計(jì)法

在定場(chǎng)址的載荷評(píng)估中，往往采用上述的風(fēng)切取平均的方法，而實(shí)際的風(fēng)機(jī)載荷與風(fēng)切又不是單純的線性關(guān)系，采用均值往往會(huì)低估了在該風(fēng)場(chǎng)下的實(shí)際載荷，嚴(yán)重影響風(fēng)機(jī)的可靠性。

本文依據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，提出了采用正態(tài)分布概率法來(lái)等效評(píng)估風(fēng)機(jī)載荷。某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 某風(fēng)場(chǎng)風(fēng)切實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

采用概率統(tǒng)計(jì)法既考慮了平均風(fēng)切變，同時(shí)也考慮風(fēng)切的波動(dòng)大小即標(biāo)準(zhǔn)差帶來(lái)的影響。

假定風(fēng)切服從正態(tài)分布，定場(chǎng)址下的載荷輸入風(fēng)切計(jì)算方法為：

式中：αsite為定場(chǎng)址輸入風(fēng)切，為風(fēng)切標(biāo)準(zhǔn)差。

3 數(shù)據(jù)測(cè)試

為驗(yàn)證概率方法的可靠性，對(duì)某機(jī)組的風(fēng)切變以及載荷進(jìn)行了測(cè)試與數(shù)據(jù)分析，如表1所示。測(cè)試機(jī)組如圖2所示。

表1 測(cè)試機(jī)組基本信息

圖2 測(cè)試機(jī)組

本文對(duì)葉片揮舞方向的疲勞載荷進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，得到測(cè)試機(jī)組每個(gè)風(fēng)速下的1 Hz 等效疲勞，等效疲勞載荷計(jì)算方法[10]如下：

式中：LN為等效疲勞載荷；Li為區(qū)間i內(nèi)的載荷變化范圍；ni為區(qū)間i內(nèi)的雨流個(gè)數(shù)；m為材料系數(shù)；N為循壞次數(shù)。

由于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)壽命一般為20 年，因此不僅要考慮1 Hz 的疲勞載荷，還要聯(lián)合年平均風(fēng)速分布計(jì)算20的等效疲勞載荷。

假定風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速服從以6 m/s 平均風(fēng)速的瑞麗分布，那么累計(jì)概率分布方程如下：

式中：vave為年平均風(fēng)速；vhub為風(fēng)速；其概率密度分布圖如圖3所示。

圖3 風(fēng)速概率密度分布

4 仿真與測(cè)試載荷對(duì)比

本文根據(jù)測(cè)試機(jī)組的場(chǎng)區(qū)數(shù)據(jù)計(jì)算得到，風(fēng)場(chǎng)的實(shí)際風(fēng)切變數(shù)據(jù)為0.24，該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的90 分位數(shù)的值為0.65；本文基于Bladed軟件對(duì)載荷進(jìn)行仿真模擬并于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比[11]。風(fēng)切散點(diǎn)圖如圖4 所示；風(fēng)切概率分布柱狀圖如圖5所示。

圖4 風(fēng)切散點(diǎn)圖

圖5 風(fēng)切概率分布柱狀圖

在平均風(fēng)切0.24 下仿真的各風(fēng)速下等效疲勞載荷與測(cè)試載荷對(duì)比如圖6～7所示。

圖6 平均風(fēng)切0.24 下仿真與測(cè)試等效疲勞載荷對(duì)比

圖7 90%分位數(shù)風(fēng)切下仿真與等效疲勞載荷對(duì)比

假定年小時(shí)數(shù)為8 766 h，聯(lián)合式（6）可求得20年的等效疲勞載荷如表2～3所示。

表2 平均風(fēng)切下20年等效疲勞

表3 90%概率下風(fēng)切20年等效疲勞

通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)分析，采用平均風(fēng)切變0.24 仿真的疲勞載荷低于測(cè)試載荷，而采用正態(tài)分布90%分位數(shù)的風(fēng)切變作為定場(chǎng)址評(píng)估的風(fēng)切輸入計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果更接近疲勞載荷，而且比實(shí)際風(fēng)場(chǎng)載荷略大，保障了機(jī)組的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)風(fēng)切變以及疲勞載荷的研究，提出了一種采用正態(tài)分布統(tǒng)計(jì)方法來(lái)有效評(píng)估風(fēng)機(jī)載荷的方法，并且通過(guò)與測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，該方法較傳統(tǒng)方法能更準(zhǔn)確地評(píng)估葉片實(shí)際的疲勞損傷，具有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。