复杂地形风电机组极限载荷的影响因素分析

文 | 李钢强，吕超，代鲁平，田家彬

随着风力发电事业的发展，我国陆上适合开发的风能资源、地形平坦的区域越来越少，风电开发的重点正朝着地形复杂的山区以及海上方向发展。我国内陆大部分是山地和丘陵地带，复杂地形风电场同平坦地形相比往往具有更丰富的风能资源和更广阔的开发空间。复杂地形风电场内的风电机组不仅需要承受由于地形高低起伏、风速风向多变、机组尾流效应、湍流强度增加以及极端气温变化等环境因素带来的风险，而且由于复杂地形风电场年平均风速一般较低，风电机组需采用更长的叶片和更高的塔架以获得较高的年发电量产出，造成机组柔性较大、动力学响应复杂。因此在复杂地形条件下需要对已经按照标准安全等级设计的风电机组进行特定场址安全性评估及优化，以保证风电机组的风电场适应性和可靠性，而特定场址的安全性评估的重点是对风电机组的载荷进行分析。

国内外学者对复杂地形风电场微观选址、风电机组载荷和性能等方面进行了相关研究。许昌等针对复杂地形条件应用Jensen模型和Lissaman模型并综合考虑尾流影响，提出了一种在复杂地形下进行风电场微观选址优化的方法；许移庆通过大量的疲劳载荷计算分析了不同设计因素对风电机组疲劳载荷的影响程度；欧阳华等以某机型为例分析了不同湍流强度对风电机组极限载荷、疲劳载荷和性能的影响；Raymond采用Flex5创建风电机组模型，分析了不同风电场环境参数的变化对风电机组等效疲劳载荷的影响。

本文在上述研究的基础上，对复杂地形风电机组特定场址极限载荷评估进行研究，针对不同的空气密度、湍流强度、风倾斜角、风切变、参考风速和切出风速等环境因素进行了大量的极限载荷工况计算，分析以上影响因素对风电机组关键部件极限载荷分量的影响程度和影响规律。本文主要基于以下假定和条件进行极限载荷对比分析：

（1）对于每种环境因素的分析，均按照IEC61400－1和GL2010规范制定大量极限载荷工况，采用GH Bladed软件对风电机组极限载荷进行计算，分析单一参数的变化对风电机组极限载荷的影响时假定其他参数不变，如有变化将在文中单独说明。

（2）为使风电机组关键部件极限载荷结果对比更明显，本文选取对结构强度校核影响较大的弯矩和扭矩进行对比，关键部件位置分别为叶片根部、静态轮毂、偏航轴承和塔架底部。

（3）由于本文针对的是某一具体机型的极限载荷分析，因此对该机型的风电场适应性分析具有重要意义，但不能代表普遍结论。限于篇幅，本文没有给出由于风力参数变化对风电机组疲劳载荷的影响，将另文撰述。

空气密度对极限载荷的影响

风电机组原始设计时空气密度一般按标准空气密度，即1.225kg/m3进行计算。复杂地形风电场中的空气密度往往与标准空气密度不同，在不同的温度、海拔高度等条件下，空气密度会偏离标准空气密度。风压与空气密度成正比，因此空气密度将直接影响风电机组载荷。为了分析空气密度对风电机组极限载荷的影响，分别选取当空气密度为0.8kg/m3、0.9kg/m3、1.0kg/m3、1.1kg/m3、1.2kg/m3、1.3kg/m3时进行极限载荷计算，获得的各部件极限载荷结果对比如图1所示。

从图1中可以看出，随着空气密度的增大，风电机组各部件极限载荷基本呈现线性增加的趋势，塔架底部极限载荷线性变化趋势尤为明显，但轮毂极限载荷Mx变化较小，说明空气密度对风电机组传动链扭矩影响较小。整体上来看，随着空气密度的增大，风电机组各部件承受的极限载荷增大，需要对各部件的极限强度进行校核和优化以保证机组安全。

湍流强度对极限载荷的影响

湍流强度是风电机组安全等级划分的重要参数之一，其与离地高度和地表粗糙度有关，也受地形地貌特征的影响。在复杂地形条件下，高地、山脉以及位于上风向的树和建筑物等，会导致湍流强度增加。此外，风电场内的尾流效应不仅影响风电机组的发电功率，还会增加湍流强度，从而增加风电机组的载荷。为了分析空气密度对风电机组极限载荷的影响，分别选取轮毂高度处的参考湍流强度I15分别为0.18、0.16、0.14、0.12时进行极限载荷计算，但对于极端湍流工况保持湍流强度0.11不变，获得的各部件极限载荷结果对比如图2所示。

从图2中可以看出，随着湍流强度的增大，叶片极限载荷My和Mz、轮毂极限载荷Mx和Mz、偏航轴承极限载荷Mx和Mz以及塔架底部极限载荷My和Mz均呈现近似线性增大趋势，但叶片Mx、轮毂My、偏航轴承My和塔架底部Mx没有发生变化，均没有超过极端湍流工况的极限载荷，通过分析载荷计算工况发现，这些极限载荷发生在湍流强度没有变化的极端湍流工况和伴随方向变化的极端相干阵风工况。从整体上来看，每提高一个湍流强度等级，对塔架底部极限载荷影响最大，塔底极限弯矩增加10%左右，其他部件极限弯矩和扭矩增加幅度较小。

图1 空气密度对风电机组各部件极限载荷影响

风倾斜角对极限载荷的影响

风电机组原始设计时风倾斜角一般取8°，且假定风倾斜角（向上流）不随高度的变化而变化。但是在复杂地形条件下，尤其是位于山地区域的风电场，地形的变化会影响风倾斜角的大小。为了分析风倾斜角对风电机组极限载荷的影响，分别选取当风倾斜角为0°、4°、8°、12°、16°、20°时进行极限载荷计算，获得的各部件极限载荷结果对比如图3所示。

从图3中可以看出，随着风倾斜角的增大，叶片极限载荷Mx呈现近似线性减小趋势，My先增大后减小，而Mz在4°减小之后逐渐增大；轮毂极限载荷Mx几乎不受影响，My呈现阶跃变化，Mz呈现近似线性增大趋势；偏航轴承极限载荷的变化趋势与轮毂极限载荷趋势一致；塔架底部极限载荷Mx和My呈现线性减小趋势，但Mz呈现线性增大趋势。从整体上来看，各部件扭矩增加程度最大，因此风倾斜角的变化对风电机组传动系统、变桨系统和偏航系统的设计影响较大。

风切变对极限载荷的影响

风切变反映了风速随高度变化的规律，与地形地貌、地表粗糙度、热力稳定性相关，其中，地形地貌对风切变的影响比地表粗糙度更明显。通常情况下，风速随高度增加而增大，但在山体陡峭的复杂地形条件下，甚至会产生负切变现象，即风速随高度的增加会减小。为了分析风切变对风电机组极限载荷的影响，分别选取当风切变系数为0.05、0.08、0.11、0.14、0.17、0.20、0.23、0.26时进行极限载荷计算，获得的各部件极限载荷结果对比如图4所示。

从图4中可以看出，随着风切变系数的增大，叶片极限载荷My和Mz呈现近似线性增大趋势，Mx呈现近似线性减小趋势；轮毂极限载荷Mx和My几乎没有变化，但轮毂极限载荷Mz呈现变小趋势；偏航轴承极限载荷的变化趋势与轮毂极限载荷趋势几乎一致；塔架底部极限载荷Mx、My和Mz均呈现近似线性减小趋势，Mz减小量最大。从整体上来看，随着风切变系数的变化，风电机组各部件扭矩变化程度较大，弯矩变化程度较小，需要重点关注风电机组传动系统、变桨系统和偏航系统的载荷情况。

参考风速对极限载荷的影响

参考风速是风电机组安全等级划分的重要依据之一，五十年一遇极端风速模型（EWM50）和一年一遇极端风速模型（EWM1）的确定都基于参考风速，表1给出了不同安全等级下的五十年一遇极端风速和一年一遇极端风速的设计值。

图3 风倾斜角对风电机组各部件极限载荷影响

图4 风倾斜角对风电机组各部件极限载荷影响

表1 不同安全等级下的极端风速

为保证风电机组运行安全，极端风速发生时风电机组处于空转或暂停状态，因此本文仅对不同安全等级下的空转和暂停工况进行极端载荷计算，而其他工况保持初始安全等级III类设计。随着风电场等级的提高，参考风速对风电机组极限载荷的影响如图5所示。

从图5中可以看出，随着参考风速的增大，叶片极限载荷Mx和Mz均呈现近似线性增大趋势，增幅较大；轮毂极限载荷Mz在I类风区时超过III类设计值，My增幅较小；偏航轴承极限载荷Mx和My没有发生变化，Mz在II类风区之后载荷增加明显；塔架底部极限载荷Mx受影响最大，呈现近似线性增大趋势，Mz增幅较小；叶片极限载荷My、轮毂极限载荷Mz、偏航轴承极限载荷Mx和My以及塔架底部极限载荷My均没有超过初始设计值，因此这些极限载荷分量不受参考风速变化的影响；参考风速的变化对叶片和偏航扭矩影响较大，需要重点关注影响较大的变桨系统和偏航系统的设计。

切出风速对极限载荷的影响

在复杂地形条件下，尤其是年平均风速较低的风电场，一般采用更长的叶片以获得较大的年发电量产出，由于叶片长度的增加，将增加风电机组的载荷，通过降低机组切出风速是减小机组载荷是的有效途径之一。由于年平均风速较低的风电场风速分布，其高风速占全年小时数很少，因此对机组年发电量的影响很小，为了分析切出风速对风电机组极限载荷的影响，分别选取当切出风速为20m/s、21m/s、22m/s、23m/s、24m/s、25m/s时进行载荷计算，获得的各部件极限载荷结果对比如图6所示。

从图6中可以看出，随着切出风速的增大，叶片极限载荷没有变化；轮毂极限载荷Mx呈现近似线性增大趋势，My没有变化，Mz增幅较大；偏航轴承和塔架底部极限载荷变化与轮毂极限载荷变化趋势一致。由此可见在对年发电量影响很小的情况下降低切出风速，有助于降低偏航系统的扭矩和塔架极限载荷，可以降低偏航系统、塔架和基础的制造成本。

复杂地形风电场载荷分析方法

本文对复杂地形风电机组在不同环境参数变化的情况下进行了极限载荷计算，通过大量的统计分析，获得了空气密度、湍流强度、风倾斜角、风切变、参考风速以及切出风速对风电机组不同关键部件处极限载荷的影响程度，本文限于篇幅，没有给出多参数组合变化时对风电机组极限载荷的影响，将另文撰述。一般情况下，位于风电场各个机位处的风电机组承受的风况条件不同，载荷也不相同，复杂地形风电场中的情况更加明显。但是风电场中的机组数量少则几十台多则上百台，对所有机组进行详细的载荷计算将耗费大量时间和精力，因此寻找一种快速的载荷预测方法显的比较重要。IEC61400－1标准的11.9节和GL2010规范的4.4.8

图5 参考风速对风电机组各部件极限载荷影响

图6 切出风速对风电机组各部件极限载荷影响

图7 复杂地形风电机组载荷分析流程图

节均给出了一种通过比较风力数据来确定风电机组风电场适应性的方法，但在实际应用中会经常遇到诸如某个或某几个风电场参数超出设计值的情况，因此分析所有复杂地形风电场风力参数的变化对机组载荷的综合影响，更能直观的判断风电机组的风电场适应性。基于本文分析思路，由于风电机组各部件的极限载荷变化大都与环境参数的变化成近似线性比例关系，在风电机组初始设计时，综合考虑不同环境因素变化对风电机组各部件极限载荷的影响程度，通过统计大量的载荷计算结果，将每个风力参数变化对风电机组各部件载荷的影响程度以载荷数据库的形式保存并建立对应关系，当通过风电场微观选址分析获得各机位处风力参数时，可以通过线性插值的方法快速计算并叠加各参数变化对风电机组载荷的影响，通过与初始设计载荷进行对比，并对初始设计时的结构进行优化，即可预判风电机组能否满足结构强度设计要求，该方法的实施流程如图7所示。

结语

（1）本文对复杂地形风电机组在不同环境因素变化的情况下进行了极限载荷计算，通过大量统计分析，获得了空气密度、湍流强度、风倾斜角、风切变、参考风速以及切出风速对风电机组不同关键部件处极限载荷的影响程度，并分析了由于极限载荷变化对风电机组部件设计需要关注的重点。

（2）按照本文分析思路，提出了一种复杂地形风电机组载荷分析方法，采用该方法可以对复杂地形风电场内的多台风电机组载荷进行快速预测和分析，并对风电机组的风电场适应性进行预判，提高了复杂地形风电机组载荷评估效率。