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雜的自然環境中，并將不穩定的風能裝換為穩定電能，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計的重要環節，載荷結果是機組零部件設計的輸入條件，關系到機組安全性和可靠性。機組研發流程往往遵循統一的標準體系，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。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則不再會遠高于標準要求。機組在役的20年內不確定因素很多，對載荷的不利影響則直接關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：風電機組載荷主要由空氣動力學載荷和結構動力學載荷構成，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合而成。

如圖1，風速V，旋轉速度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CL、CD，該系數可通過風洞實驗、CFD或數值仿真等方法得到。通過該系數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的葉素產生的推力dT為：

結構動力學主要有兩種方法：有限元法和模態分析法。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格劃分，再將氣動載荷加載于葉片來分析結構變形等響應，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構帶來的氣彈等響應，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。模態分析法則需要仿真葉片模態、塔架模態，搭建傳動鏈、偏航等機構的動力學模型，電氣動力學模型，控制響應模型。常用的工具有GH Bladed，Foucs等。

載荷工況

將風電機組運行時可能出現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）空轉閑置載荷。包括切入前待機或空轉狀態的載荷和大風切出后空轉載荷。

（六）故障停機工況。故障停機狀態下的載荷。

（七）運輸、吊裝、維護時的載荷。

載荷輸出形式

據后期部件設計需求，載荷結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力點。

疲勞載荷：反映了20年內的載荷譜，包括：20年內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或剎車載荷等（如圖4所示）。

其他載荷輸出形式根據零部件設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，從而對塔筒基礎及風電機組穩定性有很大影響。（如圖6所示）。

地震對風電機組基礎載荷影響：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

復雜地形產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。當尾流導致機組所受的風載湍流強度高于標準的設計要求，導致載荷偏離標準設計，對葉片塔筒壽命產生影響。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湍流強度超過標準值（如圖8所示）的現象。

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

三、控制策略和參數的影響

從大量的載荷計算中發現，葉片決定載荷數量級，控制參數決定載荷的具體數值。控制參數對載荷影響非常大，比如增大變槳速度響應，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生影響，比如葉片長期處于污染狀態，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。限功率發電，則會過度使用變槳機構，使變槳承受設計壽命之外的載荷，加速變槳系統的損壞，最終導致退役。

結語

綜上，載荷是風電機組及其零部件的設計來源，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、系統策略相對于原始設計有變化的應重新進行載荷計算，甚至需要進行強度校核，根據載荷計算以及強度校核結果確定技改的可行性。

（作者單位：大唐新能源試驗研究院）