一種風電機組的定場址評估優(yōu)化方法*

王瑞良，孫 勇，劉 為，李 濤

（1.浙江運達風電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風力發(fā)電技術重點實驗室，杭州 310000）

0 前言

風電是目前最有競爭力的可再生能源發(fā)電生力軍[1]。近年來，風電行業(yè)發(fā)展迅猛，中國風電裝機量一直穩(wěn)居世界第一排名，隨著風電行業(yè)的發(fā)展以及平價市場的普及，針對實際的投標項目，各整機廠家在機組塔架設計上均采用定場址計算來保障機組的經(jīng)濟性與可靠性。定場址計算的主要數(shù)據(jù)來源于風資源的微觀選址報告，其中確定風電場風力發(fā)電機選型以及安裝高度的一個重要參數(shù)就是風切變指數(shù)[2-4]。近年來，風能資源利用力度逐漸加大，近地風切變的研究工作越來越受重視[5-7]。

微觀選址報告中一般為一年以上的測風數(shù)據(jù)，風切變的擬合是采用不同高度下的年平均風速來計算的，采用該方法擬合的風切進行載荷評估，并不能真實反映場址的載荷狀態(tài)，甚至低估了風場的實際載荷，嚴重影響機組的可靠性以及疲勞壽命，因此開展風切對載荷影響的評估顯得尤為必要。

本文基于傳統(tǒng)的風切計算方法從統(tǒng)計學角度進行分析，依據(jù)風場實測數(shù)據(jù)得到載荷計算輸入的風切變，并通過仿真與測試比對，驗證方法的可行性。

1 傳統(tǒng)風切變計算方法

傳統(tǒng)計算風切變有兩種方法，一種是采用不同高度的全年平均風速求風切變指數(shù)值；另一種是求每個10 min的風切變數(shù)據(jù)。

1.1 全年平均風速法

該方法是微觀選址常用的方法，首先計算不同高度的年平均風速，由不同高度的年平均風速依據(jù)式（2）來計算風切[8-9]：

式中：vi(h)為高度為h的600 s風速均值；n為測得的樣本總數(shù)；α 為風切變。

1.2 風切取平均法

本方法計算每個600 s 的風切值，然后對數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)的所有風切取平均。

2 概率統(tǒng)計法

在定場址的載荷評估中，往往采用上述的風切取平均的方法，而實際的風機載荷與風切又不是單純的線性關系，采用均值往往會低估了在該風場下的實際載荷，嚴重影響風機的可靠性。

本文依據(jù)測試數(shù)據(jù)，提出了采用正態(tài)分布概率法來等效評估風機載荷。某風場風切實測數(shù)據(jù)如圖1所示。

圖1 某風場風切實測數(shù)據(jù)

采用概率統(tǒng)計法既考慮了平均風切變，同時也考慮風切的波動大小即標準差帶來的影響。

假定風切服從正態(tài)分布，定場址下的載荷輸入風切計算方法為：

式中：αsite為定場址輸入風切，為風切標準差。

3 數(shù)據(jù)測試

為驗證概率方法的可靠性，對某機組的風切變以及載荷進行了測試與數(shù)據(jù)分析，如表1所示。測試機組如圖2所示。

表1 測試機組基本信息

圖2 測試機組

本文對葉片揮舞方向的疲勞載荷進行了數(shù)據(jù)分析，得到測試機組每個風速下的1 Hz 等效疲勞，等效疲勞載荷計算方法[10]如下：

式中：LN為等效疲勞載荷；Li為區(qū)間i內(nèi)的載荷變化范圍；ni為區(qū)間i內(nèi)的雨流個數(shù)；m為材料系數(shù)；N為循壞次數(shù)。

由于風機設計壽命一般為20 年，因此不僅要考慮1 Hz 的疲勞載荷，還要聯(lián)合年平均風速分布計算20的等效疲勞載荷。

假定風場風速服從以6 m/s 平均風速的瑞麗分布，那么累計概率分布方程如下：

式中：vave為年平均風速；vhub為風速；其概率密度分布圖如圖3所示。

圖3 風速概率密度分布

4 仿真與測試載荷對比

本文根據(jù)測試機組的場區(qū)數(shù)據(jù)計算得到，風場的實際風切變數(shù)據(jù)為0.24，該數(shù)據(jù)對應的90 分位數(shù)的值為0.65；本文基于Bladed軟件對載荷進行仿真模擬并于實測數(shù)據(jù)進行對比[11]。風切散點圖如圖4 所示；風切概率分布柱狀圖如圖5所示。

圖4 風切散點圖

圖5 風切概率分布柱狀圖

在平均風切0.24 下仿真的各風速下等效疲勞載荷與測試載荷對比如圖6～7所示。

圖6 平均風切0.24 下仿真與測試等效疲勞載荷對比

圖7 90%分位數(shù)風切下仿真與等效疲勞載荷對比

假定年小時數(shù)為8 766 h，聯(lián)合式（6）可求得20年的等效疲勞載荷如表2～3所示。

表2 平均風切下20年等效疲勞

表3 90%概率下風切20年等效疲勞

通過上述統(tǒng)計分析，采用平均風切變0.24 仿真的疲勞載荷低于測試載荷，而采用正態(tài)分布90%分位數(shù)的風切變作為定場址評估的風切輸入計算得到的統(tǒng)計結果更接近疲勞載荷，而且比實際風場載荷略大，保障了機組的可靠性。

5 結束語

本文通過對風切變以及疲勞載荷的研究，提出了一種采用正態(tài)分布統(tǒng)計方法來有效評估風機載荷的方法，并且通過與測試數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，該方法較傳統(tǒng)方法能更準確地評估葉片實際的疲勞損傷，具有一定的實際指導意義。