風(fēng)電機組葉片與塔架間最小距離的影響因素分析

摘 要：隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，葉片長度越來越長，越來越柔軟，葉片與塔架間的最小安全距離能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求往往成為制約機組設(shè)計的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)針對某兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電機組，通過3種方法調(diào)整了葉片與塔架間的最小距離，并對比了機組功率及關(guān)鍵部件載荷，對葉片與塔架間最小距離的主要影響因素及其規(guī)律進行了分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電機組;葉片距塔架間最小距離;影響因素

0 引言

隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機組功率越來越大，葉片也越來越長，越來越柔軟，導(dǎo)致葉片變形越來越嚴(yán)重。在設(shè)計開發(fā)過程中，葉片距塔架的最小距離能否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求成為了制約機組設(shè)計的關(guān)鍵問題。影響葉片與塔架最小距離的因素有很多，影響程度各不相同。本文針對固定環(huán)境條件下的某兆瓦級直驅(qū)風(fēng)電機組，通過3種方法調(diào)整葉片與塔架的最小距離，并對比機組發(fā)電量及關(guān)鍵部件載荷，分析總結(jié)了葉片與塔架間最小距離的主要影響因素及規(guī)律。

1 葉片與塔架間最小距離

在風(fēng)電機組設(shè)計過程中，需要著重考慮保證葉片和塔架之間不會發(fā)生機械干擾，即葉片最大變形要小于靜止?fàn)顟B(tài)下葉片到塔架的距離。葉片變形計算公式：

D=（S-T）×1.1×PSF×1

式中，D表示葉片最大變形;S表示葉片靜止?fàn)顟B(tài)下葉尖距離塔架的最小距離;T表示仿真得到的葉尖到塔架的最小距離;PSF表示局部安全系數(shù)。

本文主要針對葉片變形計算公式中的相關(guān)參數(shù)進行調(diào)整分析，所有計算工況均按照IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)制定，計算時采用相同的空氣密度、湍流強度。

2 錐角、仰角對葉片與塔架間最小距離的影響

直接增大錐角及仰角可以有效增大葉片與塔架間的最小距離，但會導(dǎo)致有效風(fēng)輪面積變小，損失發(fā)電量，引起葉根及輪轂載荷變化，因此需要對此進一步分析。

首先，分析錐角及仰角變化引起的載荷及功率變化。機組初始設(shè)計時采用的錐角為-4.0°、仰角為5.0°，所以選取以下錐角、仰角組合進行分析：（1）錐角-4.0°，仰角分別為5.0°、5.5°、6.0°、6.5°、7.0°、7.5°;（2）仰角5.0°，錐角分別為-4.0°、-4.5°、-5.0°、-5.5°、-6.0°、-6.5°。載荷隨仰角變化如表1所示，載荷隨錐角變化如表2所示。

由表1可以看出，隨著仰角的變大，各部件載荷呈現(xiàn)近似線性增大或減小趨勢。葉根擺振載荷Mx變化較小，揮舞載荷My增幅較大。輪轂中心扭轉(zhuǎn)載荷Mx變化較小，彎曲載荷My和Mz降幅較大。由表2可以看出，相對于仰角，葉根載荷對錐角變化敏感度更高，輪轂載荷對錐角和仰角變化敏感度都比較大。所以錐角應(yīng)盡量選在5.0°以內(nèi)。

機組初始設(shè)計時采用的錐角為-4.0°、仰角為5.0°，經(jīng)統(tǒng)計得到葉片與塔架最小距離不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。需將錐角仰角之和定到11.5°才可滿足最小距離要求。現(xiàn)取如下組合進行分析：（1）錐角-4.0°、仰角7.5°;（2）錐角-4.5°、仰角7.0°;（3）錐角-5.0°、仰角6.5°;（4）錐角-5.5°、仰角6.0°。不同錐仰角組合下載荷、功率及最小距離變化如表3所示。

由表3可知，在滿足葉片距塔架最小安全距離的情況下，組合（1）（2）葉根揮舞載荷My具有較小增幅、輪轂中心彎曲載荷My及Mz具有較大降幅;考慮功率損失的情況下，組合（2）優(yōu)于組合（1），所以選擇錐角-4.5°、仰角7.0°的組合更合理。

3 控制策略對葉片與塔架間最小距離的影響

葉片與塔架間最小距離一般發(fā)生在額定風(fēng)速附近，通過調(diào)整控制策略，在額定風(fēng)速附近提前變槳，降低推力，以增大葉片與塔架最小距離。但同時由于提前變槳會損失發(fā)電量，所以需選取合適的提前變槳角度。本次分析考慮提前變槳0.5°、1.0°、1.5°、2.0°，其比對結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，隨著提前變槳角度的增大，功率損失線性增大，葉尖距塔架距離也變大。提前變槳1.5°和2.0°對功率和葉尖距塔架距離影響較大。因此，綜合考慮選取提前變槳角度為1°。

4 重力對葉片與塔架間最小距離的影響

隨著葉片越來越長，重心位置距塔架距離越來越遠，重力對葉片變形的影響越來越大。葉片變形公式中的一個重要參數(shù)是S，即葉片靜止?fàn)顟B(tài)下葉尖距塔架的最小距離。在計算該值時是否考慮葉片重力會有很大差異。

在不考慮重力的情況下，S由三角函數(shù)關(guān)系計算得到。若考慮重力則需要通過仿真得到。在軟件中設(shè)置將風(fēng)輪鎖死，使風(fēng)輪停止在180°方位角，即葉片1豎直向下，葉片槳角設(shè)置為0°，輸入一個極小的風(fēng)速進行仿真，即可得到在重力影響下的靜止葉片與塔架間的最小距離S。重力對靜止?fàn)顟B(tài)下葉片與塔架距離的影響如表5所示。

由表5可以看出，考慮重力后，靜止?fàn)顟B(tài)下葉片距塔架最小距離S有4%左右的降幅，可以直接推導(dǎo)出仿真得到的葉尖距塔架的最小距離T還能有4%左右安全余量，為機組降本增效提供了更多空間。

5 結(jié)語

本文分析了風(fēng)電機組錐角、槳角、提前變槳控制參數(shù)及重力對機組葉片距塔架最小安全距離的影響。其中，改變錐角和仰角效果比較明顯，但需結(jié)合關(guān)鍵部件載荷及功率來分析選取合適的錐角、仰角組合;提前變槳也可以增加最小安全距離，同時需考慮功率損失以便選取合適的提前變槳角度;在葉片與塔架最小安全距離計算時，應(yīng)考慮靜止?fàn)顟B(tài)下重力對葉片變形的影響。

收稿日期：2019-12-20

作者簡介：高中華（1985—），男，山東汶上人，工程師，研究方向：風(fēng)力發(fā)電機組載荷仿真。