復(fù)雜場址陣風(fēng)特性與機(jī)組載荷研究*

李 濤，王瑞良，徐伊麗，孫 勇，金華斌

（1.浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司，杭州 310012；2.浙江省風(fēng)力發(fā)電技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310000）

0 引言

隨著我國風(fēng)資源的大規(guī)模開發(fā)，場址條件優(yōu)質(zhì)的風(fēng)場已經(jīng)所剩不多，越來越多的條件復(fù)雜的劣質(zhì)風(fēng)場進(jìn)入市場[1]。這類風(fēng)場以山地地形為主，其特點(diǎn)是風(fēng)況湍流條件惡劣，出現(xiàn)復(fù)雜陣風(fēng)風(fēng)況較多，并且陣風(fēng)幅度大[2]。極端陣風(fēng)風(fēng)況會(huì)給機(jī)組載荷以及機(jī)組安全性帶來極大的挑戰(zhàn)，極端陣風(fēng)特性與機(jī)組載荷的研究一直是行業(yè)的熱點(diǎn)，大量學(xué)者對此進(jìn)行了研究分析。張林偉等[3]對極端陣風(fēng)條件下大型風(fēng)力機(jī)組的葉片極限載荷進(jìn)行了研究，得到了不同陣風(fēng)上升時(shí)間、變槳速率等因素對葉片極限載荷的影響；李媛等[4]通過Matlab軟件建立了極端陣風(fēng)模型，并進(jìn)行了各級負(fù)載級別的載荷計(jì)算；盧小光等[5]基于激光雷達(dá)的精確測風(fēng)，研究了陣風(fēng)識別算法，設(shè)計(jì)了變槳前饋控制算法，有效降低了陣風(fēng)工況機(jī)組所受的載荷。T Kim 等[6]介紹了在風(fēng)速變化約10 m/s的極端陣風(fēng)條件下機(jī)組的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。J Mann等[7]為了引入更真實(shí)的隨機(jī)極端荷載情況，開發(fā)了一種通用的高斯陣風(fēng)模擬理論，并通過仿真對極端風(fēng)況的載荷響應(yīng)做了研究。極端陣風(fēng)對機(jī)組的安全性影響巨大，本文通過雷達(dá)精確測風(fēng)設(shè)備監(jiān)測復(fù)雜場址風(fēng)場的風(fēng)況，識別現(xiàn)場出現(xiàn)的極端陣風(fēng)風(fēng)況，基于大數(shù)據(jù)篩選建立了幾種實(shí)測陣風(fēng)模型，開展了不同陣風(fēng)模型機(jī)組載荷特性的研究，對關(guān)鍵部件載荷的敏感性進(jìn)行分析，并與IEC 規(guī)范的陣風(fēng)模型進(jìn)行了對比，同時(shí)考慮了陣風(fēng)對葉片凈空響應(yīng)的影響。

1 基本信息

1.1 測試機(jī)組分析

本文以3MW 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為測試機(jī)組，塔架高度為100 m，風(fēng)輪直徑140 m，機(jī)組信息如表1 所示。該機(jī)組所在風(fēng)場為復(fù)雜山地地形，風(fēng)況條件較為惡劣，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的極端風(fēng)況，通過安裝激光雷達(dá)測風(fēng)設(shè)備進(jìn)行風(fēng)況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

表1 測試機(jī)組基本信息Tab.1 Test turbines information

1.2 雷達(dá)測風(fēng)

機(jī)艙式激光測風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)是一種安裝在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組機(jī)艙頂端的連續(xù)激光測風(fēng)裝置，基于多普勒頻移的連續(xù)式相干探測雷達(dá)，能夠?qū)C(jī)艙葉輪前方固定距離出的矢量風(fēng)場進(jìn)行精確測量，并通過算法精準(zhǔn)得到風(fēng)輪面前的有效風(fēng)速[8-9]。如圖1所示。

圖1 激光雷達(dá)測風(fēng)示意圖

雷達(dá)安裝放置位置與地面水平，確定安裝位置與高度，確保風(fēng)機(jī)的任何部位不會(huì)對雷達(dá)的出光造成遮擋。該機(jī)艙式雷達(dá)由4束光纖組成，實(shí)測風(fēng)況由4束激光數(shù)據(jù)矢量合成，以10 min 為一個(gè)樣本儲(chǔ)存，通過算法合成得到風(fēng)輪面處的實(shí)際風(fēng)況。

2 極端陣風(fēng)分析

2.1 極端相干陣風(fēng)

陣風(fēng)的主要特點(diǎn)是風(fēng)速或風(fēng)向在短時(shí)間內(nèi)急劇變化，依據(jù)國際通用標(biāo)準(zhǔn)IEC61400-1 規(guī)定[10-11]，風(fēng)向變化的極端相干陣風(fēng)幅值為:

風(fēng)速由下式確定：

式中：T=10 s，是上升時(shí)間，風(fēng)速變化如圖2所示。

圖2 陣風(fēng)風(fēng)速上升幅值

假定風(fēng)速的上升與風(fēng)向變化θ從0°到θcg是同步的，θcg由式（3）確定，同步的風(fēng)向變化如式（4）所示。式中T=10 s 是上升時(shí)間風(fēng)向的變化θcg與風(fēng)速v的關(guān)系以及風(fēng)向變化θ（t）與時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 陣風(fēng)風(fēng)向變化示意圖

2.2 實(shí)測陣風(fēng)解析

現(xiàn)場實(shí)際的風(fēng)況是隨機(jī)多變的，基于雷達(dá)精確測風(fēng)技術(shù)，記錄了風(fēng)況條件惡劣機(jī)位點(diǎn)長期的風(fēng)速情況。通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場存在一些比標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)模型更為惡劣的陣風(fēng)，圖4所示為一典型極端陣風(fēng)，12:13:30-12:13:40區(qū)間風(fēng)速發(fā)生了急劇增大，其陣風(fēng)幅值已經(jīng)超過了15 m/s，上升時(shí)間僅為7 s，可以看出現(xiàn)場會(huì)出現(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)更為惡劣的陣風(fēng)。

圖4 實(shí)測典型陣風(fēng)工況

基于長期的測試數(shù)據(jù)對陣風(fēng)進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)，陣風(fēng)的強(qiáng)度主要由初始風(fēng)速、陣風(fēng)幅值以及上升時(shí)間確定，以陣風(fēng)幅值以及上升時(shí)間做完篩選變量。其中規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)推薦幅值為15 m/s，上升時(shí)間為10 s，該文篩選出陣風(fēng)變化幅值超過15 m/s以及上升時(shí)間低于10 s的風(fēng)況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

基于大量的實(shí)測風(fēng)況數(shù)據(jù)，通過對測試數(shù)據(jù)的處理與識別，測試數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出一些典型了極端陣風(fēng)案例，下面給出了4組典型的極端陣風(fēng)分布用4種編號表示。陣風(fēng)時(shí)序如圖5 所示，其中case1 的陣風(fēng)幅值達(dá)到了18.77 m/s，遠(yuǎn)大于規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)值15 m/s，同時(shí)上升時(shí)間為6 s，該類陣風(fēng)遠(yuǎn)比標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況惡劣。case3 與case4 則給出了另一典型的極端陣風(fēng)，其特點(diǎn)為上升時(shí)間特別短，在短時(shí)間內(nèi)風(fēng)速急速上升，同時(shí)陣風(fēng)幅值也超過了15 m/s。

圖5 實(shí)測陣風(fēng)識別

表2 所示為上述典型陣風(fēng)的統(tǒng)計(jì)值，陣風(fēng)幅值與上升時(shí)間能反映陣風(fēng)的強(qiáng)弱，為了與標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)對比，以4 m/s 為初始風(fēng)速，設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)IEC 陣風(fēng)模型。圖6 所示為4 組擬合陣風(fēng)時(shí)序以及IEC 標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)曲線對比，可以看出現(xiàn)場的風(fēng)況遠(yuǎn)比計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況復(fù)雜惡劣，現(xiàn)場出現(xiàn)惡劣陣風(fēng)都是在短時(shí)間內(nèi)，上升時(shí)間為2～6 s之間，而陣風(fēng)幅值也常會(huì)出現(xiàn)超過15 m/s 的。對于極端時(shí)間內(nèi)的風(fēng)速幅值變化，由于機(jī)組變槳響應(yīng)有延遲，在這種風(fēng)況下機(jī)組的載荷與凈空將會(huì)受到較大的影響。

圖6 實(shí)測陣風(fēng)時(shí)序

表2 陣風(fēng)統(tǒng)計(jì)值Tab.2 Gust statistics

為了驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)模型的有效性，分別將上升時(shí)間2 s 與6 s 的實(shí)測陣風(fēng)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，基于實(shí)測陣風(fēng)統(tǒng)計(jì)的陣風(fēng)幅值與上升時(shí)間，用IEC 標(biāo)準(zhǔn)陣風(fēng)模型生成該條件下標(biāo)準(zhǔn)的陣風(fēng)時(shí)序。圖7 所示為上升時(shí)間為6 s 時(shí)實(shí)測陣風(fēng)與標(biāo)準(zhǔn)擬合模型的時(shí)序，可以看出case1實(shí)測陣風(fēng)要比標(biāo)準(zhǔn)模型更加惡劣，case2則反映出現(xiàn)場風(fēng)況變化波形的隨機(jī)性，陣風(fēng)的整體線性擬合情況一般，標(biāo)準(zhǔn)模型相比實(shí)測數(shù)據(jù)有些差異。圖8 所示為上升時(shí)間為2 s 的陣風(fēng)擬合情況，可以看出在上升時(shí)間為更短的2 s時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型能夠很好地?cái)M合出實(shí)測陣風(fēng)，在整體時(shí)序上也能較好地復(fù)現(xiàn)。

圖7 實(shí)測陣風(fēng)擬合（上升時(shí)間6 s）

圖8 實(shí)測陣風(fēng)擬合（上升時(shí)間2 s）

3 載荷與凈空分析

該文基于測試數(shù)據(jù)識別的極端陣風(fēng)數(shù)據(jù)，對機(jī)組在極端陣風(fēng)下的響應(yīng)進(jìn)行分析，以3 MW 機(jī)組模型進(jìn)行仿真對比，采用業(yè)內(nèi)常用的Bladed 軟件進(jìn)行模擬，由于風(fēng)電機(jī)組的偏航速率很低，仿真過程中將不考慮偏航動(dòng)作。風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行過程中，葉片與塔架的載荷尤為重要，塔架俯仰彎矩與葉根揮舞彎矩需重點(diǎn)關(guān)注。將上述識別的4 種陣風(fēng)作為輸入條件，對比分析不同極端陣風(fēng)下葉根與塔架彎矩的影響。

3.1 載荷影響

圖9 所示為上述4 種極端陣風(fēng)條件下塔底俯仰載荷時(shí)序，在陣風(fēng)來臨時(shí)，機(jī)組進(jìn)行變槳卸載動(dòng)作，由于存在時(shí)間的滯后性，塔底俯仰彎矩急劇增大隨后再減小，急劇增大的極限載荷比正常運(yùn)行時(shí)要大很多，對整機(jī)的安全性有較大影響。同時(shí)可以看出塔架載荷響應(yīng)大小對陣風(fēng)幅值更為敏感，陣風(fēng)幅值越大塔底俯仰極限載荷越大。在相同陣風(fēng)幅值的條件下，上升時(shí)間越長，塔底俯仰彎矩的極限越大。通過表3 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，與標(biāo)準(zhǔn)模型響應(yīng)對比，當(dāng)陣風(fēng)幅值達(dá)到18.77 m時(shí)，塔架俯仰載荷遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)工況的載荷。

表3 載荷響應(yīng)Tab.3 Load responsestatistics

圖9 塔底載荷響應(yīng)時(shí)序

圖10所示為不同極端陣風(fēng)條件下葉根揮舞載荷，葉片揮舞載荷隨著風(fēng)速的增大而急劇增大，隨后卸載減小。可以看出葉片載荷響應(yīng)大小對陣風(fēng)的上升時(shí)間更為敏感，上升時(shí)間越短極限載荷越大，這因?yàn)殛囷L(fēng)幅值變化時(shí)間太快，由于葉片慣性的影響，變槳?jiǎng)幼饔幸欢螅瑢?dǎo)致葉片卸載過慢，此時(shí)葉片的揮舞極限載荷會(huì)急劇變大，而對于上升時(shí)間較長的陣風(fēng)工況，葉片有一定的變槳響應(yīng)時(shí)間，其載荷相應(yīng)的要小。

圖10 葉片載荷響應(yīng)時(shí)序

3.2 凈空影響

復(fù)雜場址出現(xiàn)的高幅值極端陣風(fēng)會(huì)對葉片的凈空帶來更大的挑戰(zhàn)，突然出現(xiàn)的極端陣風(fēng)由于變槳反應(yīng)的滯后性，葉片變形會(huì)變大，帶來掃塔的風(fēng)險(xiǎn)，一旦機(jī)組葉片掃塔，帶來的經(jīng)濟(jì)損失是巨大的。為了更清晰地了解陣風(fēng)對于凈空的影響，考慮不同幅值與上升時(shí)間的組合，對機(jī)組的凈空響應(yīng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析其對葉片凈空的影響。

各種風(fēng)況組合情況下仿真計(jì)算的葉片凈空如表4 與圖11 所示，可以看出極端陣風(fēng)對于葉片的凈空有很大的影響?，F(xiàn)場陣風(fēng)幅值越大，葉片的凈空響應(yīng)越小。同時(shí)陣風(fēng)的初始風(fēng)速越小，機(jī)組響應(yīng)的凈空值相對會(huì)大。而在7 m 初始風(fēng)速時(shí)疊加陣風(fēng)產(chǎn)生的凈空已經(jīng)相對較小，此時(shí)已經(jīng)有掃塔的風(fēng)險(xiǎn)。對于陣風(fēng)的上升時(shí)間，整體規(guī)律上是上升時(shí)間越短，對機(jī)組的凈空越不利。

表4 凈空響應(yīng)統(tǒng)計(jì)值Tab.4 Clearance response statistics

圖11 凈空響應(yīng)示意圖

4 結(jié)束語

該文針對復(fù)雜山地場址常出現(xiàn)的極端陣風(fēng)，通過安裝激光雷達(dá)測風(fēng)設(shè)備，監(jiān)測復(fù)雜場址風(fēng)場出現(xiàn)的陣風(fēng)風(fēng)況，基于測風(fēng)數(shù)據(jù)識別了幾種實(shí)測陣風(fēng)數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證其與規(guī)范模型陣風(fēng)的差異，開展了不同陣風(fēng)對機(jī)組載荷特性以及機(jī)組凈空的研究。結(jié)果表明，復(fù)雜場址實(shí)測陣風(fēng)比規(guī)范的陣風(fēng)模型要更為惡劣，對于上升時(shí)間較長的陣風(fēng)風(fēng)況，標(biāo)準(zhǔn)模型將不能很好地復(fù)現(xiàn)實(shí)際的情況。對于載荷響應(yīng)，機(jī)組的塔底載荷對陣風(fēng)幅值更為敏感，陣風(fēng)幅值越大塔架極限載荷越大，而葉根載荷對于陣風(fēng)的上升時(shí)間更為敏感，上升時(shí)間越短葉片極限載荷越大，所以對于極端陣風(fēng)較多的場址，需對機(jī)組做對應(yīng)的安全性復(fù)核。同時(shí)陣風(fēng)對于葉片的凈空具有很大的影響，特別是上升時(shí)間較短的極端陣風(fēng)工況，對于條件惡劣陣風(fēng)頻繁的場址，需要重點(diǎn)關(guān)注葉片的凈空問題，避免出現(xiàn)葉片掃塔的情況。