MW级风电机组风轮不平衡载荷特性分析

王义进*，张水龙，徐斌，李洪斌



MW级风电机组风轮不平衡载荷特性分析

王义进*，张水龙，徐斌，李洪斌

（欣达重工股份有限公司，浙江宁波，315113）

基于风电机组BLADED参数化模型，介绍了造成风轮不平衡的原因以及对风电机组的影响，对兆瓦级风电机组风轮不平衡时各部件的载荷特性进行了理论分析计算。利用风电专用软件GH BLADED对风轮不平衡时风电机组各部件载荷特性进行了相关的仿真分析。仿真结果表明，理论计算与仿真结果一致，叶片气动不平衡会造成机组的振动冲击，而且在1倍转频处振动冲击最大，通过对风力发电机组风轮不平衡载荷特性的分析，有利于机组载荷控制技术的研究，对进一步提高大型机组的可靠性具有重要意义。

风电机组；载荷；风轮；不平衡；分析

引言

风轮是风电机组的关键部件之一，是风电机组能量捕获器，它将空气的动能转化为风轮的机械能[1]，同时也是风电机组各部件的载荷源头，因此，其性能的优越与否很大程度上决定了风电机组的可靠性和经济性。当风电机组叶轮不平衡时，风电机组捕获风能的能力随之下降，严重影响风电机组的经济效益，同时倾覆和偏航力矩上会产生不平衡周期载荷分量，加剧风电机组的振动，该不平衡周期载荷分量会随叶轮直径的增加而被显著放大，这也对机组长期安全稳定运行带来了巨大风险。刘雄[2]等介绍了叶片在实际制造和吊装过程中，叶片初始安装角偏差造成的叶轮不平衡问题；叶片本身质量分布不均等因素造成的叶轮不平衡问题，在当前的大型风电机组制造和安装工艺水平下不可避免。另外由于运行时间较长，内部配重块脱落，叶片开裂，雷击导致的损伤以及随着变桨系统的磨损，误差累积，3个叶片出现桨距角差异过大等，都是造成风轮不平衡的主要原因。

1 风轮不平衡风电机组的载荷特性分析

叶轮在旋转，为了计算叶根挥舞力矩在轮毂固定结构部分上的载荷，需要利用坐标变换方法将叶片旋转载荷变换至轮毂固定坐标系[4]，见图1b)。经过坐标变换，叶根旋转坐标系下的挥舞力矩将投影到轮毂固定坐标系的y轴和z轴，两者之间的坐标变换关系见图二。投影到轮毂固定坐标系y轴的载荷通常称之为倾覆力矩(tilt moments)，投影到轮毂固定坐标系z轴的载荷通常称之为偏航力矩(yaw moments)。由图2可知，固定坐标系下的倾覆和偏航力矩可以表示为：

图1 风电机组载荷坐标系

上式中，和分别为轮毂的倾覆力矩和偏航力矩，为传动链的仰角。对于上风向风电机组，传动链的仰角较小，则

周期性叶根挥舞弯矩可以分解为直流分量，基频分量和高次谐波分量，如下式所示

由上式可知，在叶轮平衡条件下，倾覆力矩和偏航力矩包含了0p、3p载荷分量，且其分别由叶根挥舞弯矩的1p、2p和4p分量引起，叶根弯矩的0p和3p分量不作用于倾覆和偏航力矩，即在轮毂静止坐标系下其值为0。

2 风轮不平衡风电机组载荷特性分析的仿真验证

为了验证文中对风轮不平衡所做载荷特性理论分析的有效性，分别仿真比较了阶跃风速下叶轮平衡和不平衡风电机组的载荷特性，及恒定风速下不同叶轮不平衡度的风电机组载荷特性。其中风轮的空气动力学不平衡可通过设置不同的叶片初始安装角来模拟。该仿真采用统一变桨控制策略[4]。

在图3所示的阶跃风速情况下，风轮的不平衡时三个叶片初始安装角分别设置为-1°，0°和1°，风轮平衡时三个叶片的初始安装角设置为0°，通过仿真计算，该风速下风轮转速如图四所示。

图3 阶跃风速

图4 平衡和不平衡时的风轮转速

图5 平衡和不平衡时的倾覆力矩

图6 平衡和不平衡时的偏航力矩

图7 平衡和不平衡时偏航力矩的功率谱密度

图8 平衡和不平衡时倾覆力矩的功率谱密度

图9 不同平衡度倾覆力矩的功率谱密度

3 仿真结果分析

通过以上的计算与仿真分析，可以得出以下结论：

（1）图4结果表明，风轮在平衡和不平衡两种状态下，相同风速下，其转速基本一致，在6、8、10 m/s风速下风轮的转速分别为11.60、15.68、18.00 rpm。

（2）如图5和图6所示，风轮不平衡时，风电机组的倾覆力矩和偏航力矩均出现了较大的波动，该载荷周期分量的频率等于风轮转频点。从图7和图8功率谱密度图中可以进一步看出，不同风速段下，该波动主要位于0.19、0.26、 0.30Hz，三个频率点分别对应的转速为11.59、15.68、18.00rpm，刚好是对应风速下叶轮的转频点。

（3）从图9可知，风轮不平衡程度越大，即叶片初始安装角偏差越大，风电机组的倾覆力矩和偏航力矩越大，它的1P不平衡周期载荷分量也越大。

在恒定风速下，不同风轮不平衡度下的偏航力矩和倾覆力矩的功率谱密度。在恒定风10m/s 风速下风轮转速为18.00rpm，对应的1p不平衡载荷的为0.3Hz,如图中所示，叶轮不平衡度大的（Unbalance 1.0）风电机组的偏航力矩和倾覆力矩的功率谱密度较大。

4 结束语

通过以上理论计算和仿真分析，可以得出以下结论：

（1）风轮在平衡和不平衡两种状态下，相同风速下，其转速基本一致

（2）风轮不平衡会在偏航力矩和倾覆力矩上引起1P不平衡周期载荷分量，该载荷周期分量的频率等于风轮转频点。

（3）风轮不平衡程度越大，风电机组的倾覆力矩和偏航力矩越大，它的1P不平衡周期载荷分量也越大。

（4）理论计算和仿真分析结果基本一致。通过对风力发电机组风轮不平衡载荷特性的分析，有利于机组载荷控制技术的研究，对进一步提高大型风电机组的可靠性具有重要意义，具有较大的工程价值。

[1] 杭俊, 张建忠, 程明, 等. 直驱永磁同步风电机组叶轮不平衡和绕组不对称的故障诊断[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(9): 1384-1391.

[2] 刘雄, 李钢强, 陈严, 等. 水平轴风力机叶片动态响应分析[J]. 机械工程学报, 2010, 46(12): 128-134+141.

[3] 闫卓, 宋战锋, 张超, 等. 不对称电网故障下风力发电系统机械载荷分析[J]. 电工技术学报, 2014, 29(06): 219-228.

[4] 李晶, 宋家骅, 王伟胜. 大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J]. 中国电机工程学报, 2004, 24(6): 100-105.

Load Analysis of Imbalance Rotor of MW Wind Turbine

WANG Yijin*, ZHANG Shuilong, XU Bin, LI Hongbin

（Xinda Heavy Industry CO., Ltd, Zhejiang NingBo, 315113, China）

Based on the BLADED parameterization model of wind turbine, the cause of the imbalance of the wind turbine and the influence on the wind turbine are introduced.The load characteristics of the components of the MW wind turbine of unbalanced rotor are analyzed. The simulation analysis is carried out by use of GH BLADED software.The simulation results show that the aerodynamic unbalance of the blade will cause the vibration of wind turbine, and the maximum vibration is at the 1 times of the rotation frequency.Through the analysis of the unbalanced load characteristics of the wind turbine, it is conducive to the research of the load control technology of wind turbine, and is of great significance for further improving the reliability of large wind turbine.

wind turbine; load; rotor; unbalance; analysis

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.058

TK83

A

1672-9129(2018)01-0143-03

王义进, 张水龙, 徐斌, 等. MW级风电机组风轮不平衡载荷特性分析[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 143-145.

WANG Yijin, ZHANG Shuilong, XU Bin, et al. Load Analysis of Imbalance Rotor of MW Wind Turbine[J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 143-145.

2017-10-18；

2017-12-25。

国家国际科技合作（2014DFA60360）。

王义进 (1984-)，男，学士，工程师，主要从事风力发电机组的设计与研发工作。E-mail: wangyj@n.com