海上風力發電機組載荷設計工況研究及對比分析

廖丹

【摘 要】基于海上風電機組，本文主要分析介紹了海上和陸地風力發電機組工況上的區別，并依據海上風力發電機組的設計工況和模型分析方法，用Bladed軟件進行海上風電機組的載荷計算，并與相應的陸上機組載荷進行了簡單對比。

【關鍵詞】海上風電機組；海上機組設計工況；載荷計算

0 概述

海上風力發電機組開發時，前期主要針對海上風資源研究（基本原理，風數據/坐標數據獲取，模型方法，發電量，損失因素和不確定因素，預測），最重要的是對海上風載和浪載（載荷來源，工況與模型，浪載（疲勞和極限載荷）的分析和評估，之后再利用Bladed軟件進行風波聯合載荷等海上風電特殊載荷的計算。

1 陸上風力發電機組設計載荷工況[1]

陸上風力發電機組設計載荷工況包含以下八大類工況（DLC）：

（1）發電工況（1.1～1.9）：風機模型應考慮風輪不平衡、風輪制造所規定的最大質量和氣動不平衡限制、最佳運行工況實際同理論的偏差。在計算中應假設各種情況的最不利組合，如風向改變與典型偏航角度誤差組合與電氣接頭損壞組合，應包含由大氣湍流引起的載荷要求。1.3和1.6～1.9規定了作為風力發電機組壽命評定的可能臨界事件的瞬態情況。在DLC1.4和1.5中，考慮了由于外部故障和電氣接頭損壞引起的瞬變事件。

（2）發電和產生故障（2.1～2.3）：假設控制和保護系統的任何故障，或電氣系統的內部故障（如發電機短路）在發電期間發生。其中2.1，控制系統故障屬正常事件。2.2，保護系統或內部電氣系統故障為罕見事件。如果某一故障沒引起立刻停機，隨后的載荷可導致結構產生明顯疲勞損傷，則應在2.3中定義這種工況持續的時間。

（3）啟動（3.l～3.3）：包括從靜止或空轉狀態到發電這一過渡期間產生載荷的所有事件。

（4）正常關機（4.1～4.2）：包括從發電到靜止或空轉狀態的正常過渡期間產生載荷的事件。

（5）應急關機（5.l）：由于應急關機引起的載荷。

（6）停機（靜止或空轉）（6.1～6.2）：停機后的風輪可能處于靜止或空轉狀態，采用極端風況對其進行設計。如果某些零部件產生明顯疲勞損傷（如空轉葉片重量引起的），還應考慮在每個適當風速下所預期的不發電小時數以及電網損壞對停機后的風機影響.

（7）停機和故障狀態（7.1）：如果風機正常特性變化是由任一非電網損壞故障引起時，應作為工況考核之列。故障狀態應當同極端風速模型（EWM）及一年重復周期相組合。

（8）運輸、組裝、維護和修理（8.1）：該過程中，對風機產生的載荷，應考慮最大允許風況。

載荷計算應考慮以上設計載荷情況，也應考慮由風力發電機組自身（尾流誘導速度、塔影效應等）引起的空氣流場擾動、三維氣流對葉片氣動特性的影響（如三維失速和葉尖氣動損失）、非定常空氣氣動力學效應、結構動力學和振動模態的藕合、氣動彈性效應。

2 海上風力發電機組設計的載荷工況

與陸上風電機組相同，海上風力發電機組也是正常載荷工況、極端載荷工況、特殊載荷工況及運輸載荷工況，所不同之處在于，在陸地風機載荷工況基礎上多加了海上特定的海波工況載荷[3]。

2.1 正常載荷工況

如表1定義如下：N1.0與陸上風機具有相同的定義，載荷等于海波載荷與風載荷之和；N1.1、N1.2、N 1.3、N1.4、N1.5為運行工況發生變化時，加上海波載荷突減的情況。N2.0正常啟動時的風載荷加海波載荷的情況，N2.1陣風啟動時，海波載荷突減的情況。特別是規定了機組正常運行溫度發生變化時的海波載荷突減的工況。

2.2 極端載荷工況

海上風力發電機在極端的外部條件下運行的載荷工況，定義見表2。從表中的定義可知海上風機極端載荷工況等于所有的極端風況條件再加上極端海波工況。

2.3 特殊載荷工況

海上風力發電機在特殊的外部條件下運行的載荷工況，定義見表3。從表中的定義可見所有的陸地風機的特殊工況條件再加上特定的海波工況。

2.4 安裝載荷工況

海上風力發電機在安裝和運輸的外部條件下的載荷工況，定義見表4，從表中的定義可見停機和靜止工況條件再加上特定的海波工況或用戶的定義。

3 載荷對比結果及結論

利用Bladed軟件在設計界面增加波浪、潮汐等海上風機特有的載荷，如圖1所示。并將海上機組載荷和相似類型陸上機組載荷部分部位極限載荷對比，從對比結果圖2圖3中可以發現海上載荷相對陸上載荷而言，會相對增加。

【參考文獻】

[1]Engineering Sciences Data Unit （ESDU）： Wind Engineering， Vol. 1， London， 1994.

[2]American Petroleum Institute （API）： Recommended Practice for Design and Construction of Fixed Offshore，Platforms， PR 2A， Chapter 2.3.6： Earthquake， Washington， 1987.

[3]European Wind Turbine Standards， Load Spectra For Wind Turbine Design， JOULE II（JOU2-CT93-0387），Project results， European Commission EUR 16898 EN.

[責任編輯：朱麗娜]