風電機組載荷計算及影響因素分析

文 | 張超

風電機組載荷計算及影響因素分析

文 | 張超

風電機組長期運行在復(fù)雜的自然環(huán)境中，并將不穩(wěn)定的風能裝換為穩(wěn)定電能，且要矗立于百米高空，勢必承受巨大的載荷。風電機組載荷計算是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，載荷結(jié)果是機組零部件設(shè)計的輸入條件，關(guān)系到機組安全性和可靠性。機組研發(fā)流程往往遵循統(tǒng)一的標準體系，一旦載荷確定，機組零部件的強度和壽命則要滿足載荷要求，并按照標準要求選取合適安全系數(shù)。隨著機組功率等級和成本競爭壓力的日益增大，一些零部件的安全系數(shù)則不再會遠高于標準要求。機組在役的20年內(nèi)不確定因素很多，對載荷的不利影響則直接關(guān)系到機組的可靠性和零部件壽命。

風電機組載荷計算方法

載荷仿真的理論依據(jù)：風電機組載荷主要由空氣動力學載荷和結(jié)構(gòu)動力學載荷構(gòu)成，兩者相互耦合相互影響。空氣動力學模型主要基于葉素理論和動量理論兩者結(jié)合而成。

如圖1，風速V，旋轉(zhuǎn)速度U，則風速相對速度即入流速度為W，葉片在氣流作用下產(chǎn)生推力，分解為升力和阻力，每種翼型都有不同的升阻力系數(shù)CL、CD，該系數(shù)可通過風洞實驗、CFD或數(shù)值仿真等方法得到。通過該系數(shù)可以求出翼型的升阻力，而將葉片上的每個截面分成很多這樣的翼型，再將這些獨立翼型升阻力進行積分疊加合成，最終求出整個葉片的推力和力矩。

半徑r處，長度為dr的葉素產(chǎn)生的推力dT為：

結(jié)構(gòu)動力學主要有兩種方法：有限元法和模態(tài)分析法。有限元法需要對風電機組塔筒、葉片、傳動鏈等進行幾何建模再進行網(wǎng)格劃分，再將氣動載荷加載于葉片來分析結(jié)構(gòu)變形等響應(yīng)，常用的軟件有MSC ADMAS + FLEX5或Ansys系列軟件等。考慮到與空氣動力學的耦合，需要計算隨機變化的風況和結(jié)構(gòu)帶來的氣彈等響應(yīng)，給有限元法帶來了巨大計算量。因此有限元法只適用于載荷計算方法的研究，并不適用于工程計算。模態(tài)分析法則需要仿真葉片模態(tài)、塔架模態(tài)，搭建傳動鏈、偏航等機構(gòu)的動力學模型，電氣動力學模型，控制響應(yīng)模型。常用的工具有GH Bladed，F(xiàn)oucs等。

載荷工況

將風電機組運行時可能出現(xiàn)的各種極端狀況與不同的風況進行組合，以便找出最不利的載荷，按照IEC61400等標準規(guī)定如下工況：

（一）湍流風運行工況。在正常風電機組運行風速范圍的湍流風產(chǎn)生的運行載荷。

（二）極端陣風運行工況（如圖2）。在各種突變的陣風作用下風電機組的瞬時載荷。

（三）故障工況（如圖3）。包括風電機組可能出現(xiàn)的各種故障，比如超速、超功率、振動、偏航錯誤、變槳錯誤等故障出現(xiàn)時對機組的沖擊載荷。

（四）啟動停止工況。包括正常啟動、停止、緊急停機等操作時風電機組的沖擊載荷。

（五）空轉(zhuǎn)閑置載荷。包括切入前待機或空轉(zhuǎn)狀態(tài)的載荷和大風切出后空轉(zhuǎn)載荷。

（六）故障停機工況。故障停機狀態(tài)下的載荷。

（七）運輸、吊裝、維護時的載荷。

載荷輸出形式

據(jù)后期部件設(shè)計需求，載荷結(jié)果一般分為極限載荷、疲勞載荷、LDD載荷譜等。極限載荷：描述各個分力和分力矩方向上可能出現(xiàn)的最大和最小載荷。這覆蓋了強度分析時零部件在各個方向上最大應(yīng)力點。

疲勞載荷：反映了20年內(nèi)的載荷譜，包括：20年內(nèi)標準瑞利分布下湍流風載荷，上千次的風電機組啟動、停止沖擊，上千次的風電機組故障急停，小風和大風下的風電機組空轉(zhuǎn)或剎車載荷等（如圖4所示）。

其他載荷輸出形式根據(jù)零部件設(shè)計的理論方法不同有多種不同形勢，如LDD載荷譜，馬科夫矩陣（如圖5所示）等。

影響載荷的不利因素

影響載荷的不利因素很多，有的是來自自然界的外部條件，有的是來自后期的其他情況，外部條件不可避免，要在載荷計算時盡量考慮全面，比如寒帶型風電機組冰載，地震帶的地震載荷等等。

一、外部條件

冰：覆冰程度按照IEC61400標準要求，從葉片中部到葉尖線性插值梯形質(zhì)量分布。通過對比正常無冰，三支葉片相同覆冰，只有兩支葉片覆冰的載荷，葉片葉根載荷和機艙振動，可以看出葉片覆冰不平衡時對風電機組葉根載荷部分少量增加，而機艙振動影響非常大，從而對塔筒基礎(chǔ)及風電機組穩(wěn)定性有很大影響。（如圖6所示）。

地震對風電機組基礎(chǔ)載荷影響：通過對比正常湍流風模型下，加8度地震烈度的載荷，僅風電機組正常運行，在湍流風運行工況下，基礎(chǔ)載荷最大能增大約4倍（如圖7所示）。

二、場地對風電機組的影響

復(fù)雜地形產(chǎn)生的湍流和機組尾流給機組帶來額外的湍流強度進而增加機組載荷。當尾流導(dǎo)致機組所受的風載湍流強度高于標準的設(shè)計要求，導(dǎo)致載荷偏離標準設(shè)計，對葉片塔筒壽命產(chǎn)生影響。IEC標準中也要求從這方面對機組的安全性進行評估。

通過對某風電場機組布局進行計算，其機組之間的尾流影響較大，部分機組則存在某扇區(qū)湍流強度超過標準值（如圖8所示）的現(xiàn)象。

這現(xiàn)象導(dǎo)致部件的壽命可能不滿足要求，經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，葉片承受的湍流強度遠大于標準要求，如果葉片在設(shè)計時疲勞強度余量不充足(如圖9所示)，則可能導(dǎo)致葉片提前損壞，這種情況下必須重新校核葉片疲勞強度。

三、控制策略和參數(shù)的影響

從大量的載荷計算中發(fā)現(xiàn)，葉片決定載荷數(shù)量級，控制參數(shù)決定載荷的具體數(shù)值。控制參數(shù)對載荷影響非常大，比如增大變槳速度響應(yīng)，可以減小某工況極限載荷，卻增大疲勞載荷；控制策略對載荷則有根本性的影響，比如增加傳動鏈共振阻尼策略則可以減小傳動系統(tǒng)的振動，從而減小載荷。

四、其他影響

風電機組投入使用后，運行和維護也會對載荷產(chǎn)生影響，比如葉片長期處于污染狀態(tài)，不僅效率降低，載荷也會增大。頻繁啟停機組會帶來沖擊載荷，機組設(shè)計時會考慮一個合理的啟停頻率，如果超過這個頻率，可能會影響機組使用壽命。限功率發(fā)電，則會過度使用變槳機構(gòu)，使變槳承受設(shè)計壽命之外的載荷，加速變槳系統(tǒng)的損壞，最終導(dǎo)致退役。

結(jié)語

綜上，載荷是風電機組及其零部件的設(shè)計來源，是機組安全、可靠性和壽命的保障，在20年運行維護中應(yīng)盡可能的避免可能造成機組載荷過大的不利因素，而在機組改造、提效等工作中，如果涉及到葉片、傳動鏈、系統(tǒng)策略相對于原始設(shè)計有變化的應(yīng)重新進行載荷計算，甚至需要進行強度校核，根據(jù)載荷計算以及強度校核結(jié)果確定技改的可行性。

（作者單位：大唐新能源試驗研究院）