不同风况条件对风力发电机组等效疲劳载荷的影响*

刘 为，王瑞良，孙 勇，章培成，杨 翀

（1.浙江运达风电股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省风力发电技术重点实验室，杭州 310000）

0 引言

随着风电技术的不断发展，风机叶片不断增大，风机容量也在不断提高[1]。大型风力发电机组运行在复杂的自然环境中，所承受的载荷非常复杂[2-3]。在中国，不同地区的空气密度、湍流强度和平均风速差异较大，研究不同的风况条件对风机等效疲劳载荷的影响具有一定的工程意义。付德义等[4]主要分析了湍流强度对机组塔底弯矩的影响。

本文基于GH Bladed软件[5-6]，通过对比多种空气密度、湍流强度和平均风速下某2.5 MW 风力发电机组的等效疲劳载荷，分析空气密度、湍流强度和平均风速对机组等效疲劳载荷的影响。

1 计算方法

1.1 风电机组

本文采用某双馈型风电机组，额定功率2 500 kW，风轮为三叶片上风向，风轮直径140 m，轮毂高度100 m，机组切入风速Vin＝2.5 m/s，切出风速Vout＝20 m/s，参考风速Vref＝37.5 m/s。

1.2 坐标系

本次载荷计算主要使用以下6 种坐标系[7]：叶根坐标系、叶片弦坐标系、旋转轮毂坐标系、固定轮毂坐标系、偏航坐标系、塔架坐标系，如图1 所示。

1.3 载荷分量选取

大型风力发电机组不同部件校核选取的载荷坐标分量不同。如1.2节所示6个坐标系包含48个载荷分量，且每个分量包含多个SN曲线反斜率M值。为了方便分析，本文中选取几个关键载荷分量，SN曲线反斜率M＝4的结果进行分析，具体分量如表1所示。

表1 关键载荷坐标分量

1.4 计算软件

本文所用仿真计算软件为GH Bladed 4.3，该软件为GL Garrad Hassan 公司开发的用于风电机组载荷计算的行业内主流仿真计算软件[5-6]。

1.5 工况设置

本次计算参考标准为：IEC61400-1 第三版标准[8]，疲劳工况如表2所示。

1.6 风况条件

本文选取的风况条件：空气密度为1.00 kg/m3、1.05 kg/m3、1.1 kg/m3、1.15 kg/m3、1.20 kg/m3、1.225 kg/m3、1.25 kg/m3；湍 流 强 度（Iref） 期 望 值 为0.12、0.13、0.14、0.15、0.16；平均风速为5 m/s、6 m/s、7 m/s、8 m/s、9 m/s。

图1 6种载荷坐标系

基于以上条件分析不同风况条件对大型风力发电机组的等效疲劳载荷的影响。

表2 疲劳工况表

2 仿真结果与分析

基于计算条件，采用Bladed 4.3软件计算疲劳工况，然后采用雨流计算得到各风况条件下的各关键载荷分量的等效疲劳载荷。

2.1 不同空气密度对机组等效疲劳载荷的影响

基于相同的湍流强度（Iref＝0.12）和平均风速（6 m/s），分析不同空气密度对机组关键载荷分量的等效疲劳载荷影响，各空气密度与空气密度为1.00 kg/m3的等效疲劳载荷对比结果如表3所示。

由表3 和图2 可知，随着空气密度的增加，叶根MX、轮毂MX和偏航MX等效疲劳载荷基本不变，其他几个主要载荷分量均程增大趋势，且近似线性增加。不同分量增大幅度略有不同，空气密度增大至1.25 kg/m3，相对于空气密度为1.00 kg/m3时等效疲劳载荷增大了15%～28%，其中塔底MY增加最多，其次是塔底MX，其他几个载荷分量的增加量比较接近。

表3 不同空气密度下等效疲劳载荷对比表

图2 不同空气密度下等效疲劳载荷对比图

2.2 不同湍流强度对机组等效疲劳载荷的影响

基于相同的空气密度（1.225 kg/m3）和平均风速（6 m/s），分析不同湍流强度对机组关键载荷分量的等效疲劳载荷影响，各湍流强度与湍流强度（Iref＝0.12）的等效疲劳载荷对比结果如表4所示。

由表4 与图3 可以发现，叶根MX的等效疲劳载荷不随湍流强度变化而变化，其主要受叶根的重力矩影响；其他几个主要载荷分量均程增大趋势，且近似线性增加。不同分量增大幅度略有不同。从图中可以发现随着湍流强度的增加，根据最大增加量的多少，各关键载荷分量可以分为3组：第一组叶根MZ，增加量最少，大约增加7%；第二组，叶根MY、轮毂MX、轮毂MY、轮毂MZ和偏航MX，增加量居中，约为21%～24%；第三组，偏航MY、偏航MZ、塔底MX、塔底MY和塔底MZ，增加量最多，大约为28%～30%。

表4 不同湍流强度下等效疲劳载荷对比表

图3 不同湍流强度下等效疲劳载荷对比图

2.3 不同平均风速对机组等效疲劳载荷的影响

基于相同的空气密度（1.225 kg/m3）和湍流强度（Iref＝0.12），分析不同平均风速对机组关键载荷分量的等效疲劳载荷影响，各平均风速与平均风速（5 m/s）的等效疲劳载荷对比结果如表5所示。

由表5 与图4 可以发现，随着平均风速的增加，各主要载荷分量均程增大趋势，且近似线性增加。不同分量增大幅度略有不同。从图中可知随着平均风速的增加，根据最大增加量的多少，各关键载荷分量可以分为3 组：第一组塔底MX，增加量最大，大约增加134%；第二组，叶根MY、轮毂MY、轮毂MZ、偏航MY、偏航MZ、塔底MX、塔底MY和塔底MZ，增加量其次，大约为42%～47%；第三组，叶根MX、叶根MZ、轮毂MX和偏航MX增加量最少，为10%～21%。

表5 不同平均风速下等效疲劳载荷对比表

图4 不同平均风速下等效疲劳载荷对比图

3 结束语

（1）随着空气密度的增加，叶根MX、轮毂MX和偏航MX等效疲劳载荷基本不变，其他几个主要载荷分量均呈增大趋势，且近似线性增加，不同分量增大幅度略有不同。

（2）叶根MX的等效疲劳载荷不随湍流强度变化而变化；其他几个主要载荷分量的等效疲劳载荷均随湍流强度的增大而增加，且近似线性增加。

（3）随着平均风速的增加，各主要载荷分量的等效疲劳载荷均呈增大趋势，且近似线性增加。

综上所述，在不同风况条件下，叶根MX、轮毂MX和偏航MX的等效疲劳载荷对空气密度的变化不敏感，而叶根MX的等效疲劳载荷对湍流强度的变化不敏感，其他关键载荷分量的等效疲劳载荷随着空气密度、湍流强度、平均风速的增大基本呈线性增大趋势。