李 偉，徐伊麗

（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 310012）

0 引言

隨著中國(guó)風(fēng)電的飛速發(fā)展與平價(jià)的到來，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨白熱化，越來越多的風(fēng)場(chǎng)在山地、丘陵等復(fù)雜地形上開發(fā)。這些場(chǎng)址條件特別復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)入市場(chǎng)[1]，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的安全性提出更多挑戰(zhàn)。尤其是近年來各大風(fēng)場(chǎng)陸續(xù)出現(xiàn)葉片掃塔和倒塔事故，使得行業(yè)內(nèi)對(duì)機(jī)組安全性關(guān)注程度不斷增加。各整機(jī)廠家在機(jī)組設(shè)計(jì)以及定場(chǎng)址項(xiàng)目安全性復(fù)核方面也更加精細(xì)化。傳統(tǒng)的定場(chǎng)址項(xiàng)目的安全性校核一般重點(diǎn)關(guān)注微觀選址報(bào)告上的空氣密度、湍流強(qiáng)度和極限風(fēng)速等傳統(tǒng)的普遍認(rèn)為對(duì)機(jī)組載荷有較大影響的參數(shù)。業(yè)內(nèi)對(duì)湍流強(qiáng)度的研究較多[2]，側(cè)重點(diǎn)也一般集中于對(duì)風(fēng)電機(jī)組疲勞載荷的影響[3-4]。然而隨著風(fēng)能資源利用力度逐漸加大和復(fù)雜地形項(xiàng)目的增加，尤其是復(fù)雜地形區(qū)域分散式項(xiàng)目的不斷增加[5]，不同機(jī)位點(diǎn)之間的入流角、風(fēng)切變等參數(shù)差異越來越明顯，甚至出現(xiàn)負(fù)切變的情況，極端情況出現(xiàn)的概率增大，造成倒塔和葉片掃塔事故發(fā)生。如果在定場(chǎng)址機(jī)組安全性校核忽略這些參數(shù)對(duì)機(jī)組載荷的影響，尤其是關(guān)鍵部件的載荷影響，比如葉根和塔架載荷，則有可能對(duì)機(jī)組安全性產(chǎn)生影響，后果不容小覷。

目前業(yè)內(nèi)和學(xué)者對(duì)近地風(fēng)切變的研究工作越來越多。葛銘緯等[6]研究了風(fēng)切變對(duì)風(fēng)輪出力特性和載荷的影響。李娟等[7]研究了偏航角度對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷的影響，對(duì)機(jī)組各主要部件載荷進(jìn)行了比較歸類。廖明夫等[8]研究了機(jī)組偏航狀態(tài)下葉片載荷的控制。范忠瑤等[9]通過數(shù)值模擬研究了風(fēng)切變對(duì)風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)性能的影響。

本文基于Bladed 軟件，通過對(duì)比不同風(fēng)切變、對(duì)風(fēng)誤差和入流角下2.2 MW 風(fēng)力機(jī)組的葉根和塔架統(tǒng)計(jì)載荷，研究這些風(fēng)況特性對(duì)風(fēng)力機(jī)組葉根和塔架載荷的影響，對(duì)機(jī)組定場(chǎng)址安全性復(fù)核時(shí)風(fēng)況條件的選取具有參考意義。

1 計(jì)算方法

1.1 模型概況

本文計(jì)算機(jī)組為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，額定功率為2 200 kW，機(jī)組的基本信息如表1所示。

表1 測(cè)試機(jī)組基本信息

1.2 計(jì)算軟件

本文所用仿真計(jì)算軟件為GH Bladed 4.3[10]，該軟件由GL Garrad Hassan 公司開發(fā)，用于風(fēng)電機(jī)組載荷計(jì)算，是風(fēng)電行業(yè)內(nèi)的主流仿真計(jì)算軟件。

1.3 載荷分量說明

本文選取機(jī)組葉片與塔架的關(guān)鍵載荷分量進(jìn)行分析，下面給出了關(guān)鍵載荷的計(jì)算坐標(biāo)系：葉根坐標(biāo)系與塔架坐標(biāo)系[6]，如圖1所示。

圖1 葉根與塔架坐標(biāo)系

1.4 工況設(shè)置

參考IEC61400-1 標(biāo)準(zhǔn)[11]開展仿真分析，計(jì)算工況均為正常運(yùn)行工況，計(jì)算風(fēng)況條件如下：空氣密度為標(biāo)準(zhǔn)空氣密度1.225 kg/m3；湍流強(qiáng)度（Iref，湍流強(qiáng)度期望值）為0.12；風(fēng)速為3～20 m/s區(qū)間，間隔0.5 m/s。

基于上述計(jì)算條件開展仿真計(jì)算，仿真時(shí)間為600 s，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行風(fēng)速bin 區(qū)間統(tǒng)計(jì)分析，包括最大值、最小值、平均值以及標(biāo)準(zhǔn)差，分析不同對(duì)風(fēng)誤差、風(fēng)切變與入流角對(duì)于大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組關(guān)鍵部件載荷的影響。

2 對(duì)比結(jié)果分析

2.1 不同對(duì)風(fēng)誤差對(duì)載荷的影響

由于機(jī)組偏航響應(yīng)的延時(shí)性以及不確定度，實(shí)際機(jī)組會(huì)存在一定的對(duì)風(fēng)誤差，基于前文的計(jì)算條件，分析不同對(duì)風(fēng)誤差對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件載荷的影響，工況設(shè)置如表2所示。

表2 工況設(shè)置1

如圖2～3 所示，對(duì)風(fēng)誤差對(duì)葉根擺振Mx載荷影響非常小，因?yàn)槿~根擺振載荷主要是由葉片自身重量與慣性矩引起；而對(duì)于葉根揮舞My載荷，風(fēng)速10 m/s 之前，對(duì)風(fēng)誤差角度對(duì)葉根My的影響較小，在額定風(fēng)速附近時(shí)達(dá)到最大值；而在風(fēng)速10 m/s 以后，隨著風(fēng)速增大差異逐漸增大，葉根My最大值依次為對(duì)風(fēng)誤差10°、0°和-10°，葉根My最小值依次為對(duì)風(fēng)誤差-10°、0°和10°，標(biāo)準(zhǔn)差的差異也是隨著風(fēng)速增大而增大，可以看出額定風(fēng)速以上的高風(fēng)速區(qū)間，隨著對(duì)風(fēng)誤差角度的增加，葉根揮舞載荷增大，載荷的離散性也增大，容易出現(xiàn)一些極端載荷。葉片揮舞彎矩對(duì)凈空有較大影響，因此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注額定風(fēng)速附近時(shí)葉片的揮舞載荷，同時(shí)關(guān)注高風(fēng)速區(qū)偏航誤差角度增大后葉片揮舞載荷也增大。

圖2 葉根擺振載荷

如圖4 所示，對(duì)風(fēng)誤差對(duì)塔底俯仰載荷My影響較小。如圖5 所示，對(duì)于塔底傾覆載荷Mx，在風(fēng)速10 m/s以后會(huì)出現(xiàn)明顯差異，隨著風(fēng)速增大，對(duì)風(fēng)誤差10°時(shí)塔底Mx最大值、最小值和均值均變大，并且隨著風(fēng)速的增加增幅變大；對(duì)風(fēng)誤差-10°時(shí)塔底Mx的最大值、最小值和均值均變小。因此，高風(fēng)速下大偏航誤差情況下的塔架傾覆力矩應(yīng)予以重視。

圖4 塔架底部俯仰載荷

圖5 塔架底部?jī)A覆載荷

2.2 不同風(fēng)切變對(duì)載荷的影響

風(fēng)切變表征風(fēng)在垂直方向上的變化特征，由不同高度的全年平均風(fēng)速求得風(fēng)切變指數(shù)值。風(fēng)資源評(píng)估常用此方法，機(jī)組定場(chǎng)址安全性復(fù)核時(shí)采用微觀選址報(bào)告上的風(fēng)切變指數(shù)值。風(fēng)切變指數(shù)值依據(jù)下式[11-12]計(jì)算得到：

式中：V(z)為高度為z的600 s 風(fēng)速均值；Vhub為輪轂高度處的平均風(fēng)速；α為風(fēng)切變。

風(fēng)切變對(duì)于機(jī)組的載荷計(jì)算和凈空評(píng)估都有很大的影響，本節(jié)設(shè)置了0.05、0.1、0.2、0.3 四種不同的風(fēng)切變指數(shù)進(jìn)行分析，工況如表3所示。

表3 工況設(shè)置2

如圖6所示，葉根擺振載荷Mx對(duì)風(fēng)切變并不敏感。如圖7所示，在額定風(fēng)速以下，風(fēng)切變的變化對(duì)葉根揮舞載荷My的影響不明顯，在高風(fēng)速區(qū)間，隨著風(fēng)速的增大，風(fēng)切變?cè)酱?，葉根揮舞載荷My的最大值越大且離散性也越大，容易出現(xiàn)極端載荷；并且隨著風(fēng)速的增大不同風(fēng)切變下的葉根揮舞載荷My最大值和最小值的差異變大。因此，載荷計(jì)算時(shí)應(yīng)關(guān)注風(fēng)速增大時(shí)大切變下的葉片揮舞彎矩。

圖6 葉根擺振載荷

圖7 葉根揮舞載荷

如圖8 所示，風(fēng)切變對(duì)于塔底俯仰載荷My的影響較小。如圖9所示，風(fēng)切變對(duì)塔底傾覆載荷Mx有較大影響。在高風(fēng)速區(qū)域，塔底傾覆力矩Mx的最大值、最小值和均值在風(fēng)切變指數(shù)等于0.05 時(shí)基本保持不變；風(fēng)切變指數(shù)越大，塔底傾覆力矩Mx越大，并且最大值超過額定風(fēng)速附近的傾覆力矩，載荷差異隨著風(fēng)切變指數(shù)的增大而增大，隨著風(fēng)速的增大差異逐漸變大。因此，載荷計(jì)算時(shí)應(yīng)關(guān)注高風(fēng)速大風(fēng)切情況下的塔底傾覆力矩Mx。

圖8 塔架底部俯仰載荷

圖9 塔架底部?jī)A覆載荷

2.3 不同入流角對(duì)載荷的影響

入流角是指風(fēng)來流方向與機(jī)組風(fēng)輪面的垂向夾角，其受機(jī)組周圍地形的影響很大，目前標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)定載荷計(jì)算的入流角為8°，而對(duì)于實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中的機(jī)位點(diǎn)往往受場(chǎng)區(qū)地形的影響，不一定是8°。機(jī)組安全性復(fù)核時(shí)風(fēng)資源條件輸入中一般會(huì)分別給出每個(gè)機(jī)位點(diǎn)的最大入流角，需考慮入流角對(duì)載荷的影響。本節(jié)設(shè)置了0°、8°和16°三個(gè)不同的入流角開展分析。

如圖10 所示，入流角0°與8°對(duì)于葉根擺振載荷Mx影響較小，而更大的入流角16°會(huì)使得葉根擺振彎矩最大值和最小值出現(xiàn)的風(fēng)速增大。如圖11所示，入流角越大，葉根揮舞彎矩My的最大值、最小值和平均值都越大，且出現(xiàn)最值時(shí)的風(fēng)速也增大。這是由入流角越大，機(jī)組額定風(fēng)速越大造成的。因此，在定場(chǎng)址機(jī)組安全性復(fù)核時(shí)需要關(guān)注不同機(jī)位點(diǎn)之間的入流角差異，減少入流角差異引起的對(duì)機(jī)組安全性的影響[13]。

圖10 葉根擺振載荷

圖11 葉根揮舞載荷

表4 工況設(shè)置3

如圖12所示，入流角對(duì)于塔底俯仰載荷My的影響為在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，入流角越小，塔底俯仰彎矩越大；而在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，入流角越大塔底俯仰彎矩越大，并且在額定風(fēng)速范圍影響最大。如圖13所示，當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，隨著入流角的增加，塔底傾覆彎矩增大，隨著風(fēng)速再增大，不同入流角之間的塔底傾覆彎矩差異減小。因此，入流角對(duì)塔底傾覆和俯仰彎矩的影響程度有明顯差異。

圖12 塔架底部俯仰載荷

圖13 塔架底部?jī)A覆載荷

3 結(jié)束語

（1）對(duì)風(fēng)誤差對(duì)于葉片擺振與塔架俯仰載荷影響較小。葉片擺振載荷最大值出現(xiàn)在額定風(fēng)速附近；高于額定風(fēng)速后，隨著風(fēng)速的增大，對(duì)風(fēng)誤差越大葉片揮舞載荷越大并且載荷的離散性也越大。對(duì)于塔架傾覆載荷，對(duì)風(fēng)誤差越大載荷越大，并且隨著風(fēng)速增加載荷增幅也增加。

（2）風(fēng)切變對(duì)于葉片擺振與塔架俯仰載荷影響較小。葉片揮舞彎矩最大值出現(xiàn)在額定風(fēng)速附近；高于額定風(fēng)速后，風(fēng)切變?cè)酱笕~片揮舞載荷越大且離散性也越大。對(duì)于塔架傾覆，隨著風(fēng)切變?cè)龃蠛惋L(fēng)速增加傾覆載荷增大。

（3）入流角在額定風(fēng)速附近時(shí)對(duì)葉片和塔架載荷影響較大。對(duì)于葉根揮舞彎矩My，入流角越大，載荷最大值越大；對(duì)于塔底俯仰載荷My，在風(fēng)速小于額定風(fēng)速時(shí)，入流角越小，塔底俯仰彎矩越大；而在風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，入流角越大塔底俯仰彎矩越大，并且在額定風(fēng)速范圍影響最大。

綜上所述，葉片擺振與塔架俯仰載荷對(duì)對(duì)風(fēng)誤差、風(fēng)切變與入流角敏感程度較低，而葉片揮舞彎矩與塔架傾覆彎矩受對(duì)風(fēng)誤差、風(fēng)切變與入流角影響較大，并且隨著風(fēng)速的增大影響變大。