论不同风况对风电机组疲劳载荷的影响

论不同风况对风电机组疲劳载荷的影响

摘要：风力发电机组总体载荷计算评估是风力机设计以及风电场风机选型中的

一项重要工作，特别是对于大型MW级风机，其意义更为重大。风机载荷计算评

估包括极限载荷评估和疲劳载荷评估。从计算角度分析，影响风机疲劳载荷的主

要因素包括风电场的湍流强度，空气密度以及年平均风速等相关风况气象参数。

本文通过总体载荷计算，对影响风机疲劳载荷的主要工况进行载荷计算以及疲劳

分析，给出规律性的结论，为以后的风机设计，风机选型等相关问题提供理论基

础以及经验总结。

关键词：不同风况，疲劳载荷，动量-叶素理论

风电场的开发是一个资金庞大，周期较长的项目，而整个风电场的主要设备

是风力发电机组。所以，我们必须对风力发电机组的安全性和可靠性做一个科学

规范的计算校核。需要对特殊地形造成的特殊风况进行疲劳载荷分析和总结，做

成自己的数据库，对不同风电场进行载荷评估。

一、风机总体载荷计算理论基础

1.1、风机气动载荷

目前计算风力发电机的气动载荷有动量-叶素理论、CFD等方法。动量-叶素理论是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动

相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，在这些微段上运用动量理论求出

作用在每个叶素上的力和力矩，然后沿叶片展向积分，进而求得作用在整个风轮

上的力和力矩，算得旋翼的升力和功率。动量-叶素理论形式比较简单，计算量小，便于工程应用，估算机组初始设计时整机的气动性能，被广泛用于风力机的设计

和性能计算，而且还用来确定风力机的动态载荷，不断地被进一步改进和完善。

为此在计算中应用动量-叶素理论方法来计算风机的气动载荷。

1.2、动量理论

动量理论是经典的风力机空气动力学理论。风轮的作用是将风的动能转换成

机械能，分不考虑风轮后尾流旋转和考虑风轮后尾流旋转两种情况应用动量理论。

1.3、叶素理论

叶素理论的基本出发点是将风轮叶片沿展向分成许多微段，称这些微段为叶素，在每个叶素上的流动相互之间没有干扰，叶素可以认为是二元翼型，将作用

在每个叶素上的力和力矩沿展向积分，求得作用在风轮上的力和力矩。

1.4、动量─叶素理论

为了计算风力机性能，必须计算风轮旋转面中的轴向诱导因子和周向诱导因子，这就需要用到动量─叶素理论。由动量理论和叶素理论通过迭代方法可以求

出轴向诱导因子和周向诱导因子。

1.5、雨流技术基本计数规则

1）雨流依次从载荷时间历程的峰值位置的内侧沿着斜坡往下流；

（2）雨流从某一个峰值点开始流动，当遇到比其起始峰值更大的峰值时要停止流动；

（3）雨流遇到上面流下的雨流时，必须停止流动；

（4）取出所有的全循环，记下每个循环的幅度；

（5）将第一阶段计数后剩下的发散收敛载荷时间历程等效为一个收敛发散型的载荷时间历程，进行第二阶段的雨流计数。计数循环的总数等于两个计数阶段

的计数循环之和。

二、疲劳载荷评估

风机的疲劳载荷主要是由于外部风电场的气象风况条件决定的，主要由湍流

强度，风场的空气密度，以及风电场的年平均风速决定的。我们通过叶素动量理

论进行工程分析以及和模拟软件相结合，对疲劳工况进行分析。

我们模拟所使用的模拟软件为GH Bladed软件，主要是用于水平轴风机载荷

计算以及风机性能分析。主要包括风机的初步设计，风机的详细设计以及零部件

设计，风机型式认证。在风机输入参数中，有风机的气动和结构参数，传动链和

电气系统，传感器系统和制动系统，控制和安全系统等；外部条件输入包括风况

输入，波浪和洋流，地震，风机故障，电气和电网扰动等；风机的稳态特性，主

要包括气动信息，系数性能，稳态功率曲线，稳态运行载荷以及稳态停机载荷等；动态模拟风机的特性，包括正常运行，启动，紧急停机，正常停机，空转，静止等。

GH Bladed软件的主要通过水平轴空气动力学动量理论，叶素理论，叶素-动

量理论等基本理论，结合风机的气动特性，以及叶尖轮毂损失，塔影模型，动态

失速，尾流等修正，迭代计算出风轮的轴向和周向的入流因子，从而计算出风机

的各位置载荷。通过测试，GH Bladed软件计算结果和在风电场实际运行的数据

相当吻合。

选用某公司117-2000-85型的风机为研究对象,风机模型不变,控制系统不更改

的情况下,分别从风电场不同的湍流强度,不同的空气密度以及不同的年平均风速

的情况下,分别对风机关键截面的等效疲劳载荷进行对比分析,试图找到规律,为以

后设计风机以及风机的快速选型打好良好的理论基础.

2.1不同湍流强度下疲劳载荷分析

选用某公司117-2000-85型的风机,空气密度为标准的空气密度1.225kg/m3，

年平均风为6.5m/s，湍流强度选取位0.1，0.14，，0.18的情况进行载荷计算以及雨流技术统计，选取叶根处载荷（m=10）以及塔筒底部载荷(m=4)进行比较。计

算结果详见下图表：

表2.1 叶根不同湍流强度的疲劳载荷以及对比