风切变等风况特性对风力发电机组载荷影响研究

李 伟，徐伊丽

（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 310012）

0 引言

随着中国风电的飞速发展与平价的到来，国内市场竞争日趋白热化，越来越多的风场在山地、丘陵等复杂地形上开发。这些场址条件特别复杂的风场进入市场[1]，对风电机组的安全性提出更多挑战。尤其是近年来各大风场陆续出现叶片扫塔和倒塔事故，使得行业内对机组安全性关注程度不断增加。各整机厂家在机组设计以及定场址项目安全性复核方面也更加精细化。传统的定场址项目的安全性校核一般重点关注微观选址报告上的空气密度、湍流强度和极限风速等传统的普遍认为对机组载荷有较大影响的参数。业内对湍流强度的研究较多[2]，侧重点也一般集中于对风电机组疲劳载荷的影响[3-4]。然而随着风能资源利用力度逐渐加大和复杂地形项目的增加，尤其是复杂地形区域分散式项目的不断增加[5]，不同机位点之间的入流角、风切变等参数差异越来越明显，甚至出现负切变的情况，极端情况出现的概率增大，造成倒塔和叶片扫塔事故发生。如果在定场址机组安全性校核忽略这些参数对机组载荷的影响，尤其是关键部件的载荷影响，比如叶根和塔架载荷，则有可能对机组安全性产生影响，后果不容小觑。

目前业内和学者对近地风切变的研究工作越来越多。葛铭纬等[6]研究了风切变对风轮出力特性和载荷的影响。李娟等[7]研究了偏航角度对风力发电机组载荷的影响，对机组各主要部件载荷进行了比较归类。廖明夫等[8]研究了机组偏航状态下叶片载荷的控制。范忠瑶等[9]通过数值模拟研究了风切变对风力机气动性能的影响。

本文基于Bladed 软件，通过对比不同风切变、对风误差和入流角下2.2 MW 风力机组的叶根和塔架统计载荷，研究这些风况特性对风力机组叶根和塔架载荷的影响，对机组定场址安全性复核时风况条件的选取具有参考意义。

1 计算方法

1.1 模型概况

本文计算机组为双馈风力发电机组，额定功率为2 200 kW，机组的基本信息如表1所示。

表1 测试机组基本信息

1.2 计算软件

本文所用仿真计算软件为GH Bladed 4.3[10]，该软件由GL Garrad Hassan 公司开发，用于风电机组载荷计算，是风电行业内的主流仿真计算软件。

1.3 载荷分量说明

本文选取机组叶片与塔架的关键载荷分量进行分析，下面给出了关键载荷的计算坐标系：叶根坐标系与塔架坐标系[6]，如图1所示。

图1 叶根与塔架坐标系

1.4 工况设置

参考IEC61400-1 标准[11]开展仿真分析，计算工况均为正常运行工况，计算风况条件如下：空气密度为标准空气密度1.225 kg/m3；湍流强度（Iref，湍流强度期望值）为0.12；风速为3～20 m/s区间，间隔0.5 m/s。

基于上述计算条件开展仿真计算，仿真时间为600 s，对计算结果进行风速bin 区间统计分析，包括最大值、最小值、平均值以及标准差，分析不同对风误差、风切变与入流角对于大型风力发电机组关键部件载荷的影响。

2 对比结果分析

2.1 不同对风误差对载荷的影响

由于机组偏航响应的延时性以及不确定度，实际机组会存在一定的对风误差，基于前文的计算条件，分析不同对风误差对机组关键部件载荷的影响，工况设置如表2所示。

表2 工况设置1

如图2～3 所示，对风误差对叶根摆振Mx载荷影响非常小，因为叶根摆振载荷主要是由叶片自身重量与惯性矩引起；而对于叶根挥舞My载荷，风速10 m/s 之前，对风误差角度对叶根My的影响较小，在额定风速附近时达到最大值；而在风速10 m/s 以后，随着风速增大差异逐渐增大，叶根My最大值依次为对风误差10°、0°和-10°，叶根My最小值依次为对风误差-10°、0°和10°，标准差的差异也是随着风速增大而增大，可以看出额定风速以上的高风速区间，随着对风误差角度的增加，叶根挥舞载荷增大，载荷的离散性也增大，容易出现一些极端载荷。叶片挥舞弯矩对净空有较大影响，因此，应重点关注额定风速附近时叶片的挥舞载荷，同时关注高风速区偏航误差角度增大后叶片挥舞载荷也增大。

图2 叶根摆振载荷

如图4 所示，对风误差对塔底俯仰载荷My影响较小。如图5 所示，对于塔底倾覆载荷Mx，在风速10 m/s以后会出现明显差异，随着风速增大，对风误差10°时塔底Mx最大值、最小值和均值均变大，并且随着风速的增加增幅变大；对风误差-10°时塔底Mx的最大值、最小值和均值均变小。因此，高风速下大偏航误差情况下的塔架倾覆力矩应予以重视。

图4 塔架底部俯仰载荷

图5 塔架底部倾覆载荷

2.2 不同风切变对载荷的影响

风切变表征风在垂直方向上的变化特征，由不同高度的全年平均风速求得风切变指数值。风资源评估常用此方法，机组定场址安全性复核时采用微观选址报告上的风切变指数值。风切变指数值依据下式[11-12]计算得到：

式中：V(z)为高度为z的600 s 风速均值；Vhub为轮毂高度处的平均风速；α为风切变。

风切变对于机组的载荷计算和净空评估都有很大的影响，本节设置了0.05、0.1、0.2、0.3 四种不同的风切变指数进行分析，工况如表3所示。

表3 工况设置2

如图6所示，叶根摆振载荷Mx对风切变并不敏感。如图7所示，在额定风速以下，风切变的变化对叶根挥舞载荷My的影响不明显，在高风速区间，随着风速的增大，风切变越大，叶根挥舞载荷My的最大值越大且离散性也越大，容易出现极端载荷；并且随着风速的增大不同风切变下的叶根挥舞载荷My最大值和最小值的差异变大。因此，载荷计算时应关注风速增大时大切变下的叶片挥舞弯矩。

图6 叶根摆振载荷

图7 叶根挥舞载荷

如图8 所示，风切变对于塔底俯仰载荷My的影响较小。如图9所示，风切变对塔底倾覆载荷Mx有较大影响。在高风速区域，塔底倾覆力矩Mx的最大值、最小值和均值在风切变指数等于0.05 时基本保持不变；风切变指数越大，塔底倾覆力矩Mx越大，并且最大值超过额定风速附近的倾覆力矩，载荷差异随着风切变指数的增大而增大，随着风速的增大差异逐渐变大。因此，载荷计算时应关注高风速大风切情况下的塔底倾覆力矩Mx。

图8 塔架底部俯仰载荷

图9 塔架底部倾覆载荷

2.3 不同入流角对载荷的影响

入流角是指风来流方向与机组风轮面的垂向夹角，其受机组周围地形的影响很大，目前标准中设定载荷计算的入流角为8°，而对于实际风场中的机位点往往受场区地形的影响，不一定是8°。机组安全性复核时风资源条件输入中一般会分别给出每个机位点的最大入流角，需考虑入流角对载荷的影响。本节设置了0°、8°和16°三个不同的入流角开展分析。

如图10 所示，入流角0°与8°对于叶根摆振载荷Mx影响较小，而更大的入流角16°会使得叶根摆振弯矩最大值和最小值出现的风速增大。如图11所示，入流角越大，叶根挥舞弯矩My的最大值、最小值和平均值都越大，且出现最值时的风速也增大。这是由入流角越大，机组额定风速越大造成的。因此，在定场址机组安全性复核时需要关注不同机位点之间的入流角差异，减少入流角差异引起的对机组安全性的影响[13]。

图10 叶根摆振载荷

图11 叶根挥舞载荷

表4 工况设置3

如图12所示，入流角对于塔底俯仰载荷My的影响为在风速小于额定风速时，入流角越小，塔底俯仰弯矩越大；而在风速高于额定风速时，入流角越大塔底俯仰弯矩越大，并且在额定风速范围影响最大。如图13所示，当风速超过额定风速时，随着入流角的增加，塔底倾覆弯矩增大，随着风速再增大，不同入流角之间的塔底倾覆弯矩差异减小。因此，入流角对塔底倾覆和俯仰弯矩的影响程度有明显差异。

图12 塔架底部俯仰载荷

图13 塔架底部倾覆载荷

3 结束语

（1）对风误差对于叶片摆振与塔架俯仰载荷影响较小。叶片摆振载荷最大值出现在额定风速附近；高于额定风速后，随着风速的增大，对风误差越大叶片挥舞载荷越大并且载荷的离散性也越大。对于塔架倾覆载荷，对风误差越大载荷越大，并且随着风速增加载荷增幅也增加。

（2）风切变对于叶片摆振与塔架俯仰载荷影响较小。叶片挥舞弯矩最大值出现在额定风速附近；高于额定风速后，风切变越大叶片挥舞载荷越大且离散性也越大。对于塔架倾覆，随着风切变增大和风速增加倾覆载荷增大。

（3）入流角在额定风速附近时对叶片和塔架载荷影响较大。对于叶根挥舞弯矩My，入流角越大，载荷最大值越大；对于塔底俯仰载荷My，在风速小于额定风速时，入流角越小，塔底俯仰弯矩越大；而在风速高于额定风速时，入流角越大塔底俯仰弯矩越大，并且在额定风速范围影响最大。

综上所述，叶片摆振与塔架俯仰载荷对对风误差、风切变与入流角敏感程度较低，而叶片挥舞弯矩与塔架倾覆弯矩受对风误差、风切变与入流角影响较大，并且随着风速的增大影响变大。