复杂场址阵风特性与机组载荷研究*

李 涛，王瑞良，徐伊丽，孙 勇，金华斌

（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

随着我国风资源的大规模开发，场址条件优质的风场已经所剩不多，越来越多的条件复杂的劣质风场进入市场[1]。这类风场以山地地形为主，其特点是风况湍流条件恶劣，出现复杂阵风风况较多，并且阵风幅度大[2]。极端阵风风况会给机组载荷以及机组安全性带来极大的挑战，极端阵风特性与机组载荷的研究一直是行业的热点，大量学者对此进行了研究分析。张林伟等[3]对极端阵风条件下大型风力机组的叶片极限载荷进行了研究，得到了不同阵风上升时间、变桨速率等因素对叶片极限载荷的影响；李媛等[4]通过Matlab软件建立了极端阵风模型，并进行了各级负载级别的载荷计算；卢小光等[5]基于激光雷达的精确测风，研究了阵风识别算法，设计了变桨前馈控制算法，有效降低了阵风工况机组所受的载荷。T Kim 等[6]介绍了在风速变化约10 m/s的极端阵风条件下机组的动态响应，并将数值模拟结果与实测数据进行了对比。J Mann等[7]为了引入更真实的随机极端荷载情况，开发了一种通用的高斯阵风模拟理论，并通过仿真对极端风况的载荷响应做了研究。极端阵风对机组的安全性影响巨大，本文通过雷达精确测风设备监测复杂场址风场的风况，识别现场出现的极端阵风风况，基于大数据筛选建立了几种实测阵风模型，开展了不同阵风模型机组载荷特性的研究，对关键部件载荷的敏感性进行分析，并与IEC 规范的阵风模型进行了对比，同时考虑了阵风对叶片净空响应的影响。

1 基本信息

1.1 测试机组分析

本文以3MW 双馈风力发电机组作为测试机组，塔架高度为100 m，风轮直径140 m，机组信息如表1 所示。该机组所在风场为复杂山地地形，风况条件较为恶劣，经常会出现复杂的极端风况，通过安装激光雷达测风设备进行风况的实时监控。

表1 测试机组基本信息Tab.1 Test turbines information

1.2 雷达测风

机舱式激光测风雷达系统是一种安装在风力发电机组机舱顶端的连续激光测风装置，基于多普勒频移的连续式相干探测雷达，能够对机舱叶轮前方固定距离出的矢量风场进行精确测量，并通过算法精准得到风轮面前的有效风速[8-9]。如图1所示。

图1 激光雷达测风示意图

雷达安装放置位置与地面水平，确定安装位置与高度，确保风机的任何部位不会对雷达的出光造成遮挡。该机舱式雷达由4束光纤组成，实测风况由4束激光数据矢量合成，以10 min 为一个样本储存，通过算法合成得到风轮面处的实际风况。

2 极端阵风分析

2.1 极端相干阵风

阵风的主要特点是风速或风向在短时间内急剧变化，依据国际通用标准IEC61400-1 规定[10-11]，风向变化的极端相干阵风幅值为:

风速由下式确定：

式中：T=10 s，是上升时间，风速变化如图2所示。

图2 阵风风速上升幅值

假定风速的上升与风向变化θ从0°到θcg是同步的，θcg由式（3）确定，同步的风向变化如式（4）所示。式中T=10 s 是上升时间风向的变化θcg与风速v的关系以及风向变化θ（t）与时间的关系如图3所示。

图3 阵风风向变化示意图

2.2 实测阵风解析

现场实际的风况是随机多变的，基于雷达精确测风技术，记录了风况条件恶劣机位点长期的风速情况。通过数据发现现场存在一些比标准阵风模型更为恶劣的阵风，图4所示为一典型极端阵风，12:13:30-12:13:40区间风速发生了急剧增大，其阵风幅值已经超过了15 m/s，上升时间仅为7 s，可以看出现场会出现比标准更为恶劣的阵风。

图4 实测典型阵风工况

基于长期的测试数据对阵风进行筛选统计，阵风的强度主要由初始风速、阵风幅值以及上升时间确定，以阵风幅值以及上升时间做完筛选变量。其中规范标准推荐幅值为15 m/s，上升时间为10 s，该文筛选出阵风变化幅值超过15 m/s以及上升时间低于10 s的风况进行统计。

基于大量的实测风况数据，通过对测试数据的处理与识别，测试数据中统计出一些典型了极端阵风案例，下面给出了4组典型的极端阵风分布用4种编号表示。阵风时序如图5 所示，其中case1 的阵风幅值达到了18.77 m/s，远大于规范的标准值15 m/s，同时上升时间为6 s，该类阵风远比标准风况恶劣。case3 与case4 则给出了另一典型的极端阵风，其特点为上升时间特别短，在短时间内风速急速上升，同时阵风幅值也超过了15 m/s。

图5 实测阵风识别

表2 所示为上述典型阵风的统计值，阵风幅值与上升时间能反映阵风的强弱，为了与标准阵风对比，以4 m/s 为初始风速，设定标准IEC 阵风模型。图6 所示为4 组拟合阵风时序以及IEC 标准阵风曲线对比，可以看出现场的风况远比计算标准风况复杂恶劣，现场出现恶劣阵风都是在短时间内，上升时间为2～6 s之间，而阵风幅值也常会出现超过15 m/s 的。对于极端时间内的风速幅值变化，由于机组变桨响应有延迟，在这种风况下机组的载荷与净空将会受到较大的影响。

图6 实测阵风时序

表2 阵风统计值Tab.2 Gust statistics

为了验证标准阵风模型的有效性，分别将上升时间2 s 与6 s 的实测阵风数据进行拟合，基于实测阵风统计的阵风幅值与上升时间，用IEC 标准阵风模型生成该条件下标准的阵风时序。图7 所示为上升时间为6 s 时实测阵风与标准拟合模型的时序，可以看出case1实测阵风要比标准模型更加恶劣，case2则反映出现场风况变化波形的随机性，阵风的整体线性拟合情况一般，标准模型相比实测数据有些差异。图8 所示为上升时间为2 s 的阵风拟合情况，可以看出在上升时间为更短的2 s时，标准模型能够很好地拟合出实测阵风，在整体时序上也能较好地复现。

图7 实测阵风拟合（上升时间6 s）

图8 实测阵风拟合（上升时间2 s）

3 载荷与净空分析

该文基于测试数据识别的极端阵风数据，对机组在极端阵风下的响应进行分析，以3 MW 机组模型进行仿真对比，采用业内常用的Bladed 软件进行模拟，由于风电机组的偏航速率很低，仿真过程中将不考虑偏航动作。风电机组运行过程中，叶片与塔架的载荷尤为重要，塔架俯仰弯矩与叶根挥舞弯矩需重点关注。将上述识别的4 种阵风作为输入条件，对比分析不同极端阵风下叶根与塔架弯矩的影响。

3.1 载荷影响

图9 所示为上述4 种极端阵风条件下塔底俯仰载荷时序，在阵风来临时，机组进行变桨卸载动作，由于存在时间的滞后性，塔底俯仰弯矩急剧增大随后再减小，急剧增大的极限载荷比正常运行时要大很多，对整机的安全性有较大影响。同时可以看出塔架载荷响应大小对阵风幅值更为敏感，阵风幅值越大塔底俯仰极限载荷越大。在相同阵风幅值的条件下，上升时间越长，塔底俯仰弯矩的极限越大。通过表3 的数据统计，与标准模型响应对比，当阵风幅值达到18.77 m时，塔架俯仰载荷远大于标准工况的载荷。

表3 载荷响应Tab.3 Load responsestatistics

图9 塔底载荷响应时序

图10所示为不同极端阵风条件下叶根挥舞载荷，叶片挥舞载荷随着风速的增大而急剧增大，随后卸载减小。可以看出叶片载荷响应大小对阵风的上升时间更为敏感，上升时间越短极限载荷越大，这因为阵风幅值变化时间太快，由于叶片惯性的影响，变桨动作有一定滞后，导致叶片卸载过慢，此时叶片的挥舞极限载荷会急剧变大，而对于上升时间较长的阵风工况，叶片有一定的变桨响应时间，其载荷相应的要小。

图10 叶片载荷响应时序

3.2 净空影响

复杂场址出现的高幅值极端阵风会对叶片的净空带来更大的挑战，突然出现的极端阵风由于变桨反应的滞后性，叶片变形会变大，带来扫塔的风险，一旦机组叶片扫塔，带来的经济损失是巨大的。为了更清晰地了解阵风对于净空的影响，考虑不同幅值与上升时间的组合，对机组的净空响应进行了统计，分析其对叶片净空的影响。

各种风况组合情况下仿真计算的叶片净空如表4 与图11 所示，可以看出极端阵风对于叶片的净空有很大的影响。现场阵风幅值越大，叶片的净空响应越小。同时阵风的初始风速越小，机组响应的净空值相对会大。而在7 m 初始风速时叠加阵风产生的净空已经相对较小，此时已经有扫塔的风险。对于阵风的上升时间，整体规律上是上升时间越短，对机组的净空越不利。

表4 净空响应统计值Tab.4 Clearance response statistics

图11 净空响应示意图

4 结束语

该文针对复杂山地场址常出现的极端阵风，通过安装激光雷达测风设备，监测复杂场址风场出现的阵风风况，基于测风数据识别了几种实测阵风数据，并验证其与规范模型阵风的差异，开展了不同阵风对机组载荷特性以及机组净空的研究。结果表明，复杂场址实测阵风比规范的阵风模型要更为恶劣，对于上升时间较长的阵风风况，标准模型将不能很好地复现实际的情况。对于载荷响应，机组的塔底载荷对阵风幅值更为敏感，阵风幅值越大塔架极限载荷越大，而叶根载荷对于阵风的上升时间更为敏感，上升时间越短叶片极限载荷越大，所以对于极端阵风较多的场址，需对机组做对应的安全性复核。同时阵风对于叶片的净空具有很大的影响，特别是上升时间较短的极端阵风工况，对于条件恶劣阵风频繁的场址，需要重点关注叶片的净空问题，避免出现叶片扫塔的情况。