文 | 张超

风电机组载荷计算及影响因素分析

文 | 张超

风电机组长期运行在复杂的自然环境中，并将不稳定的风能装换为稳定电能，且要矗立于百米高空，势必承受巨大的载荷。风电机组载荷计算是设计的重要环节，载荷结果是机组零部件设计的输入条件，关系到机组安全性和可靠性。机组研发流程往往遵循统一的标准体系，一旦载荷确定，机组零部件的强度和寿命则要满足载荷要求，并按照标准要求选取合适安全系数。随着机组功率等级和成本竞争压力的日益增大，一些零部件的安全系数则不再会远高于标准要求。机组在役的20年内不确定因素很多，对载荷的不利影响则直接关系到机组的可靠性和零部件寿命。

风电机组载荷计算方法

载荷仿真的理论依据：风电机组载荷主要由空气动力学载荷和结构动力学载荷构成，两者相互耦合相互影响。空气动力学模型主要基于叶素理论和动量理论两者结合而成。

如图1，风速V，旋转速度U，则风速相对速度即入流速度为W，叶片在气流作用下产生推力，分解为升力和阻力，每种翼型都有不同的升阻力系数CL、CD，该系数可通过风洞实验、CFD或数值仿真等方法得到。通过该系数可以求出翼型的升阻力，而将叶片上的每个截面分成很多这样的翼型，再将这些独立翼型升阻力进行积分叠加合成，最终求出整个叶片的推力和力矩。

半径r处，长度为dr的叶素产生的推力dT为：

结构动力学主要有两种方法：有限元法和模态分析法。有限元法需要对风电机组塔筒、叶片、传动链等进行几何建模再进行网格划分，再将气动载荷加载于叶片来分析结构变形等响应，常用的软件有MSC ADMAS + FLEX5或Ansys系列软件等。考虑到与空气动力学的耦合，需要计算随机变化的风况和结构带来的气弹等响应，给有限元法带来了巨大计算量。因此有限元法只适用于载荷计算方法的研究，并不适用于工程计算。模态分析法则需要仿真叶片模态、塔架模态，搭建传动链、偏航等机构的动力学模型，电气动力学模型，控制响应模型。常用的工具有GH Bladed，Foucs等。

载荷工况

将风电机组运行时可能出现的各种极端状况与不同的风况进行组合，以便找出最不利的载荷，按照IEC61400等标准规定如下工况：

（一）湍流风运行工况。在正常风电机组运行风速范围的湍流风产生的运行载荷。

（二）极端阵风运行工况（如图2）。在各种突变的阵风作用下风电机组的瞬时载荷。

（三）故障工况（如图3）。包括风电机组可能出现的各种故障，比如超速、超功率、振动、偏航错误、变桨错误等故障出现时对机组的冲击载荷。

（四）启动停止工况。包括正常启动、停止、紧急停机等操作时风电机组的冲击载荷。

（五）空转闲置载荷。包括切入前待机或空转状态的载荷和大风切出后空转载荷。

（六）故障停机工况。故障停机状态下的载荷。

（七）运输、吊装、维护时的载荷。

载荷输出形式

据后期部件设计需求，载荷结果一般分为极限载荷、疲劳载荷、LDD载荷谱等。极限载荷：描述各个分力和分力矩方向上可能出现的最大和最小载荷。这覆盖了强度分析时零部件在各个方向上最大应力点。

疲劳载荷：反映了20年内的载荷谱，包括：20年内标准瑞利分布下湍流风载荷，上千次的风电机组启动、停止冲击，上千次的风电机组故障急停，小风和大风下的风电机组空转或刹车载荷等（如图4所示）。

其他载荷输出形式根据零部件设计的理论方法不同有多种不同形势，如LDD载荷谱，马科夫矩阵（如图5所示）等。

影响载荷的不利因素

影响载荷的不利因素很多，有的是来自自然界的外部条件，有的是来自后期的其他情况，外部条件不可避免，要在载荷计算时尽量考虑全面，比如寒带型风电机组冰载，地震带的地震载荷等等。

一、外部条件

冰：覆冰程度按照IEC61400标准要求，从叶片中部到叶尖线性插值梯形质量分布。通过对比正常无冰，三支叶片相同覆冰，只有两支叶片覆冰的载荷，叶片叶根载荷和机舱振动，可以看出叶片覆冰不平衡时对风电机组叶根载荷部分少量增加，而机舱振动影响非常大，从而对塔筒基础及风电机组稳定性有很大影响。（如图6所示）。

地震对风电机组基础载荷影响：通过对比正常湍流风模型下，加8度地震烈度的载荷，仅风电机组正常运行，在湍流风运行工况下，基础载荷最大能增大约4倍（如图7所示）。

二、场地对风电机组的影响

复杂地形产生的湍流和机组尾流给机组带来额外的湍流强度进而增加机组载荷。当尾流导致机组所受的风载湍流强度高于标准的设计要求，导致载荷偏离标准设计，对叶片塔筒寿命产生影响。IEC标准中也要求从这方面对机组的安全性进行评估。

通过对某风电场机组布局进行计算，其机组之间的尾流影响较大，部分机组则存在某扇区湍流强度超过标准值（如图8所示）的现象。

这现象导致部件的寿命可能不满足要求，经过计算发现，叶片承受的湍流强度远大于标准要求，如果叶片在设计时疲劳强度余量不充足(如图9所示)，则可能导致叶片提前损坏，这种情况下必须重新校核叶片疲劳强度。

三、控制策略和参数的影响

从大量的载荷计算中发现，叶片决定载荷数量级，控制参数决定载荷的具体数值。控制参数对载荷影响非常大，比如增大变桨速度响应，可以减小某工况极限载荷，却增大疲劳载荷；控制策略对载荷则有根本性的影响，比如增加传动链共振阻尼策略则可以减小传动系统的振动，从而减小载荷。

四、其他影响

风电机组投入使用后，运行和维护也会对载荷产生影响，比如叶片长期处于污染状态，不仅效率降低，载荷也会增大。频繁启停机组会带来冲击载荷，机组设计时会考虑一个合理的启停频率，如果超过这个频率，可能会影响机组使用寿命。限功率发电，则会过度使用变桨机构，使变桨承受设计寿命之外的载荷，加速变桨系统的损坏，最终导致退役。

结语

综上，载荷是风电机组及其零部件的设计来源，是机组安全、可靠性和寿命的保障，在20年运行维护中应尽可能的避免可能造成机组载荷过大的不利因素，而在机组改造、提效等工作中，如果涉及到叶片、传动链、系统策略相对于原始设计有变化的应重新进行载荷计算，甚至需要进行强度校核，根据载荷计算以及强度校核结果确定技改的可行性。

（作者单位：大唐新能源试验研究院）