李 濤，王瑞良，徐伊麗，楊 翀

（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 引言

隨著我國(guó)風(fēng)電開(kāi)發(fā)的重心逐漸向低風(fēng)速地區(qū)[1]，為了提高低風(fēng)速地區(qū)機(jī)組發(fā)電量，一般通過(guò)增加塔架高度來(lái)提高風(fēng)機(jī)的可利用小時(shí)數(shù)，但是傳統(tǒng)的塔架高度大于100 m后，塔架重量會(huì)出現(xiàn)指數(shù)型的增加，此時(shí)塔架經(jīng)濟(jì)性很低。采用全剛?cè)崴夹g(shù)提升機(jī)組發(fā)電量是目前比較有效的一種技術(shù)手段，柔塔式機(jī)組塔架高度在110 m以上，全剛?cè)崴亓枯p，隨著塔筒的增高，在有效提高機(jī)組發(fā)電能力的同時(shí)，不會(huì)使成本增加太多。柔塔與鋼塔區(qū)分的重要表征量是塔架頻率，隨著高度的增加，塔架頻率降低，塔架的剛?cè)崤c葉輪額定轉(zhuǎn)速有關(guān)，塔架頻率在葉輪一階頻率以上稱(chēng)為鋼塔，在一階頻率以下為柔塔[2]。由于柔塔的頻率低于葉輪額定轉(zhuǎn)速頻率，從葉輪變速至額定轉(zhuǎn)速期間會(huì)在某個(gè)轉(zhuǎn)速點(diǎn)上與塔架頻率共振，導(dǎo)致機(jī)組載荷增大，柔塔技術(shù)本質(zhì)是通過(guò)先進(jìn)的控制技術(shù)解決塔架增高帶來(lái)的挑戰(zhàn)，柔塔式機(jī)組必須經(jīng)過(guò)評(píng)估認(rèn)證和實(shí)踐認(rèn)證，符合規(guī)范要求，對(duì)于機(jī)組載荷安全性的仿真與測(cè)試評(píng)估要求更高，所以對(duì)于柔塔式新型機(jī)組的載荷特性分析顯的尤為重要。

載荷測(cè)試仿真對(duì)比是新機(jī)組型式認(rèn)證的主要內(nèi)容，林鈞斌[3]對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械載荷測(cè)試常用方法進(jìn)行了介紹，提出了一套適合市場(chǎng)的檢測(cè)流程；王樹(shù)軍等[4]對(duì)鋼塔機(jī)組仿真載荷與測(cè)量值進(jìn)行了比較，針對(duì)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果差異性開(kāi)展了相關(guān)研究；石宇峰等[5]根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)載荷測(cè)試的方法進(jìn)行了研究，給出了測(cè)試時(shí)應(yīng)該注意的一些問(wèn)題。當(dāng)前風(fēng)力機(jī)組載荷測(cè)試主要集中于鋼塔，對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的柔塔式機(jī)組的載荷測(cè)試以及動(dòng)力特性的研究較少，本文基于140 m高度的柔塔式機(jī)組開(kāi)展載荷測(cè)試，并將機(jī)組測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)實(shí)測(cè)機(jī)組運(yùn)行的頻譜特性以及載荷結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證研究，分析結(jié)果對(duì)行業(yè)機(jī)組型式認(rèn)證具有一定的指導(dǎo)意義。

1 機(jī)組載荷分析

風(fēng)力機(jī)組所受載荷主要由重力和慣性載荷、空氣動(dòng)力載荷、機(jī)組運(yùn)行載荷4部分組成[6]。機(jī)組不同部件的受載情況都需要重點(diǎn)關(guān)注，主要包括葉片各截面載荷、輪轂載荷以及塔架各截面載荷。

葉片是風(fēng)力機(jī)組重要的部件之一，葉片載荷主要受空氣動(dòng)力、重力以及慣性力影響。葉片的空氣動(dòng)力載荷由葉素－動(dòng)量理論計(jì)算，將葉片簡(jiǎn)化為有限個(gè)葉素[7]，通過(guò)積分求得葉片擺振與揮舞方向的剪力和彎矩，如下所示：

式中：W為合成風(fēng)速；c為弦長(zhǎng)；Cl與Cd為升力阻力系數(shù)。

作用在葉片上的重力載荷主要作用在擺振方向，它隨著葉片方位角變化呈周期性的變化，是葉片的主要疲勞載荷，重力產(chǎn)生的彎矩如下所示：

式中：rs為重心至葉根距離；ωt為方位角；φaxis與δcone分別為機(jī)組的仰角與錐角。

葉片慣性載荷主要為旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，方向總是沿葉片向外的，它會(huì)對(duì)機(jī)組前后與左右方向產(chǎn)生推力，下式給出了葉片的慣性力載荷：

作用在塔架上載荷包括扭矩和彎矩以及塔頂上的重力載，塔架載荷除了由偏航系統(tǒng)傳遞的載荷外，還包括直接作用在塔架上的空氣動(dòng)力載荷，塔底俯仰彎矩為：

式中：F為風(fēng)輪氣動(dòng)推力；ma為慣性力；M為機(jī)組本身彎矩；F(z)為塔筒所受氣動(dòng)力。

2 載荷測(cè)試

測(cè)試機(jī)組基本信息如表1所示，塔架高度為140 m，額定功率為2 500 kW，載荷測(cè)試時(shí)間持續(xù)2~4個(gè)月，保證有效測(cè)試數(shù)據(jù)樣本數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范俘獲矩陣的數(shù)量。

表1 測(cè)試機(jī)組基本信息

機(jī)組載荷測(cè)試基于新版IEC 61400－13－2018標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量物理量包括機(jī)組載荷、氣象參數(shù)與運(yùn)行參數(shù)3類(lèi)[8]，采用載荷應(yīng)變片來(lái)測(cè)量機(jī)組載荷，應(yīng)變片組成全橋電路進(jìn)行測(cè)量，2組應(yīng)變片正交分布組成1組電橋，塔底彎矩測(cè)量應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)如圖1所示，避開(kāi)塔底法蘭、門(mén)等構(gòu)件，避免額外部件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。

圖1 應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)位置

金屬結(jié)構(gòu)機(jī)械性地伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，其電阻會(huì)發(fā)生變化，應(yīng)變片通過(guò)測(cè)量電阻的變化來(lái)測(cè)量應(yīng)變，由于結(jié)果變形引起的電阻變化很小，要精確測(cè)量如此微小的電阻非常困難，采用惠斯通電橋的電路來(lái)放大信號(hào)，當(dāng)電路電阻變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生與電阻變化相應(yīng)的輸出電壓e，如式（5）所示。全橋電路是電橋的四邊全部接入應(yīng)變片，

全橋電路可以有效避免溫度對(duì)應(yīng)變帶來(lái)的影響，如圖2所示。

圖2 全橋電路

式中：K為比例常數(shù)；ε為應(yīng)變；E為輸入電壓。

采集電信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)標(biāo)定轉(zhuǎn)換為載荷數(shù)據(jù)，對(duì)于葉根彎矩標(biāo)定，低風(fēng)速情況下使葉片分別處于0°、90°槳距角，測(cè)量風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周周期內(nèi)擺振和揮舞信號(hào)的峰谷值，結(jié)合葉片自重產(chǎn)生的彎矩進(jìn)行推導(dǎo)[9]，信號(hào)與載荷之間存在如下關(guān)系：

式中：Mbe和Mbf為擺振和揮舞彎矩；Se和Sf為擺振和揮舞應(yīng)變片輸出信號(hào)；Se0和Sf0為信號(hào)的平均值。

轉(zhuǎn)換關(guān)系根據(jù)如下公式得到：

對(duì)于塔架彎矩的標(biāo)定，根據(jù)塔筒的材料、幾何特性以及電橋連接方式計(jì)算出理論載荷，采用并聯(lián)電阻法標(biāo)定，利用線(xiàn)性回歸推導(dǎo)出轉(zhuǎn)換關(guān)系中的斜率，零點(diǎn)由機(jī)組偏航一周應(yīng)變片輸出信號(hào)的平均值確定，計(jì)算公式為：

式中：M為彎矩；S為信號(hào)輸出值；Zs為理論載荷。

根據(jù)偏航角將兩組應(yīng)變片的載荷轉(zhuǎn)換到機(jī)艙坐標(biāo)系下的彎矩，轉(zhuǎn)換標(biāo)定關(guān)系如下所示。

式中：Md1和Md2分別為兩組正交方向應(yīng)變片測(cè)量的載荷值；yaw為實(shí)時(shí)偏航角度；θd1和θd2分別為偏航標(biāo)定時(shí)對(duì)應(yīng)信號(hào)處于峰值時(shí)的偏航角度。

3 對(duì)比結(jié)果分析

采用風(fēng)電業(yè)內(nèi)常用的載荷仿真軟件Bladed進(jìn)行載荷仿真，仿真模型采用的參數(shù)與實(shí)際機(jī)組保持一致，仿真環(huán)境條件包括實(shí)時(shí)的風(fēng)速、風(fēng)向以及每個(gè)樣本的風(fēng)剪切、空氣密度，根據(jù)測(cè)風(fēng)塔采集的風(fēng)速時(shí)程，采用經(jīng)典Kaimal湍流模型在輪轂高度處模擬實(shí)時(shí)的湍流風(fēng)，如圖3所示，由圖可知仿真風(fēng)模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本保持一致。

圖3 仿真與實(shí)測(cè)風(fēng)模型擬合

3.1 模態(tài)驗(yàn)證

基于測(cè)試的環(huán)境條件開(kāi)展仿真對(duì)比，對(duì)比數(shù)據(jù)包括機(jī)組運(yùn)行參數(shù)以及葉片與塔架載荷參數(shù)，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中塔架、葉片以及傳動(dòng)鏈的固有頻率會(huì)被激發(fā)，通過(guò)對(duì)機(jī)組載荷時(shí)域信號(hào)的頻譜分析進(jìn)行模態(tài)驗(yàn)證，圖4所示為葉片揮舞與擺振的頻譜，可以看出仿真與測(cè)試數(shù)據(jù)擬合接近，葉片面內(nèi)1階測(cè)試頻率為0.78，仿真結(jié)果為0.76，誤差為2.56%，面外1階測(cè)試為0.53，仿真結(jié)果為0.55，誤差3.63%。

圖4 葉片揮舞與擺振頻域特性

如圖5所示，塔架測(cè)試1階頻率為0.149 Hz，仿真結(jié)果為0.143 Hz，而傳動(dòng)鏈的主要頻率也較為接近，機(jī)組模態(tài)擬合驗(yàn)證了仿真模型的合理性。

圖5 塔架俯仰與傳動(dòng)鏈頻域特性

3.2 瞬態(tài)工況

采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬風(fēng)文件，針對(duì)緊急停機(jī)、啟動(dòng)典型瞬態(tài)工況進(jìn)行對(duì)比擬合，圖6所示為緊急停機(jī)瞬態(tài)工況機(jī)組狀態(tài)與風(fēng)速時(shí)序變化，保證仿真風(fēng)文件與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完全一致，在平均風(fēng)速8.9 m/s情況下，424 s時(shí)刻機(jī)組發(fā)生緊急停機(jī)，仿真機(jī)組功率與槳距角響應(yīng)停機(jī)邏輯與現(xiàn)場(chǎng)一致。

圖6 停機(jī)工況風(fēng)速與機(jī)組狀態(tài)信息對(duì)比時(shí)序

圖7所示為停機(jī)工況主要載荷響應(yīng)情況，停機(jī)時(shí)段載荷振蕩后減小，葉片擺振與揮舞彎矩載荷響應(yīng)與測(cè)試擬合較好，緊急停機(jī)動(dòng)作對(duì)塔架俯仰彎矩影響較大，塔架發(fā)生晃動(dòng)逐漸自由衰減，仿真塔架俯仰彎矩響應(yīng)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合。

圖7 停機(jī)工況葉片與塔架載荷對(duì)比時(shí)序

圖8~9所示為啟機(jī)工況機(jī)組狀態(tài)信息與載荷時(shí)序?qū)Ρ惹闆r，平均風(fēng)速6.9 m/s工況，機(jī)組啟動(dòng)響應(yīng)控制邏輯與現(xiàn)場(chǎng)保持一致，葉片擺振彎矩主要由重力矩產(chǎn)生，隨著轉(zhuǎn)速上升，載荷逐漸增大，揮舞彎矩與塔架彎矩受氣動(dòng)影響，機(jī)組運(yùn)行發(fā)電后載荷顯現(xiàn)，仿真與測(cè)試結(jié)果擬合較好，驗(yàn)證了仿真模型的有效性。

圖8 啟機(jī)工況風(fēng)速與機(jī)組狀態(tài)信息對(duì)比時(shí)序

圖9 啟機(jī)工況葉片與塔架載荷對(duì)比時(shí)序

3.3 統(tǒng)計(jì)分析

仿真數(shù)據(jù)10 min統(tǒng)計(jì)與測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，統(tǒng)計(jì)參數(shù)包括平均值、最大值、最小值與標(biāo)準(zhǔn)差，統(tǒng)計(jì)結(jié)果能反映出機(jī)組載荷的整體情況。葉片揮舞方向載荷與塔架俯仰彎矩為主要關(guān)注載荷，圖10所示為葉片揮舞彎矩測(cè)試與仿真的散點(diǎn)圖，可以看出不同風(fēng)速區(qū)間，仿真與測(cè)試載荷整體趨勢(shì)吻合，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)的離散度更高，符合機(jī)組的實(shí)際情況。圖11所示為載荷統(tǒng)計(jì)分量均值的對(duì)比，仿真與測(cè)試對(duì)比結(jié)果較好，載荷的差異均在10%以?xún)?nèi)。

圖10 葉片揮舞彎矩統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

圖11 葉片揮舞彎矩對(duì)比

圖12~13所示為塔底俯仰載荷對(duì)比情況，隨著風(fēng)速的增大，俯仰彎矩呈先增大后減小的趨勢(shì)，在額定風(fēng)速附近達(dá)到峰值，仿真與測(cè)試結(jié)果載荷量級(jí)與趨勢(shì)比較一致，結(jié)果說(shuō)明了仿真模型的正確性以及預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)載荷的精確度，提高機(jī)組設(shè)計(jì)的可靠性。

圖12 塔底俯仰彎矩統(tǒng)計(jì)散點(diǎn)圖

圖13 塔底俯仰彎矩對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

風(fēng)力機(jī)組的載荷測(cè)試與仿真的準(zhǔn)確性一直是風(fēng)電行業(yè)中重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，目前對(duì)于機(jī)組載荷測(cè)試主要集中在鋼塔，對(duì)于高度更高的柔塔式風(fēng)機(jī)的研究較少，本文基于實(shí)測(cè)140 m柔塔機(jī)組開(kāi)展載荷測(cè)試與仿真對(duì)比研究。

通過(guò)機(jī)組載荷數(shù)據(jù)分析來(lái)驗(yàn)證機(jī)組載荷的合理性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展模型仿真驗(yàn)證，重點(diǎn)考慮了機(jī)組的模態(tài)響應(yīng)、瞬態(tài)工況響應(yīng)以及載荷統(tǒng)計(jì)情況，對(duì)比結(jié)果表明仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)趨勢(shì)一致，載荷數(shù)據(jù)擬合較好，驗(yàn)證了仿真模型的有效性，研究工作為新機(jī)組研發(fā)提供數(shù)據(jù)驗(yàn)證支持，對(duì)機(jī)組設(shè)計(jì)與優(yōu)化能提供一定的指導(dǎo)意義。

最后基于實(shí)測(cè)機(jī)組載荷測(cè)試與仿真對(duì)比結(jié)果，后續(xù)在機(jī)組控制策略?xún)?yōu)化降載方面可以繼續(xù)開(kāi)展研究。