李 濤，王瑞良，徐伊麗，孫 勇，金華斌

（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(shù)重點實驗室，杭州 310000）

0 引言

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

1 基本信息

1.1 測試機組分析

本文以3MW 雙饋風力發(fā)電機組作為測試機組，塔架高度為100 m，風輪直徑140 m，機組信息如表1 所示。該機組所在風場為復雜山地地形，風況條件較為惡劣，經(jīng)常會出現(xiàn)復雜的極端風況，通過安裝激光雷達測風設(shè)備進行風況的實時監(jiān)控。

表1 測試機組基本信息Tab.1 Test turbines information

1.2 雷達測風

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

圖1 激光雷達測風示意圖

雷達安裝放置位置與地面水平，確定安裝位置與高度，確保風機的任何部位不會對雷達的出光造成遮擋。該機艙式雷達由4束光纖組成，實測風況由4束激光數(shù)據(jù)矢量合成，以10 min 為一個樣本儲存，通過算法合成得到風輪面處的實際風況。

2 極端陣風分析

2.1 極端相干陣風

陣風的主要特點是風速或風向在短時間內(nèi)急劇變化，依據(jù)國際通用標準IEC61400-1 規(guī)定[10-11]，風向變化的極端相干陣風幅值為:

風速由下式確定：

式中：T=10 s，是上升時間，風速變化如圖2所示。

圖2 陣風風速上升幅值

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

圖3 陣風風向變化示意圖

2.2 實測陣風解析

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

圖4 實測典型陣風工況

基于長期的測試數(shù)據(jù)對陣風進行篩選統(tǒng)計，陣風的強度主要由初始風速、陣風幅值以及上升時間確定，以陣風幅值以及上升時間做完篩選變量。其中規(guī)范標準推薦幅值為15 m/s，上升時間為10 s，該文篩選出陣風變化幅值超過15 m/s以及上升時間低于10 s的風況進行統(tǒng)計。

基于大量的實測風況數(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)計出一些典型了極端陣風案例，下面給出了4組典型的極端陣風分布用4種編號表示。陣風時序如圖5 所示，其中case1 的陣風幅值達到了18.77 m/s，遠大于規(guī)范的標準值15 m/s，同時上升時間為6 s，該類陣風遠比標準風況惡劣。case3 與case4 則給出了另一典型的極端陣風，其特點為上升時間特別短，在短時間內(nèi)風速急速上升，同時陣風幅值也超過了15 m/s。

圖5 實測陣風識別

表2 所示為上述典型陣風的統(tǒng)計值，陣風幅值與上升時間能反映陣風的強弱，為了與標準陣風對比，以4 m/s 為初始風速，設(shè)定標準IEC 陣風模型。圖6 所示為4 組擬合陣風時序以及IEC 標準陣風曲線對比，可以看出現(xiàn)場的風況遠比計算標準風況復雜惡劣，現(xiàn)場出現(xiàn)惡劣陣風都是在短時間內(nèi)，上升時間為2～6 s之間，而陣風幅值也常會出現(xiàn)超過15 m/s 的。對于極端時間內(nèi)的風速幅值變化，由于機組變槳響應(yīng)有延遲，在這種風況下機組的載荷與凈空將會受到較大的影響。

圖6 實測陣風時序

表2 陣風統(tǒng)計值Tab.2 Gust statistics

為了驗證標準陣風模型的有效性，分別將上升時間2 s 與6 s 的實測陣風數(shù)據(jù)進行擬合，基于實測陣風統(tǒng)計的陣風幅值與上升時間，用IEC 標準陣風模型生成該條件下標準的陣風時序。圖7 所示為上升時間為6 s 時實測陣風與標準擬合模型的時序，可以看出case1實測陣風要比標準模型更加惡劣，case2則反映出現(xiàn)場風況變化波形的隨機性，陣風的整體線性擬合情況一般，標準模型相比實測數(shù)據(jù)有些差異。圖8 所示為上升時間為2 s 的陣風擬合情況，可以看出在上升時間為更短的2 s時，標準模型能夠很好地擬合出實測陣風，在整體時序上也能較好地復現(xiàn)。

圖7 實測陣風擬合（上升時間6 s）

圖8 實測陣風擬合（上升時間2 s）

3 載荷與凈空分析

該文基于測試數(shù)據(jù)識別的極端陣風數(shù)據(jù)，對機組在極端陣風下的響應(yīng)進行分析，以3 MW 機組模型進行仿真對比，采用業(yè)內(nèi)常用的Bladed 軟件進行模擬，由于風電機組的偏航速率很低，仿真過程中將不考慮偏航動作。風電機組運行過程中，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關(guān)注。將上述識別的4 種陣風作為輸入條件，對比分析不同極端陣風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 種極端陣風條件下塔底俯仰載荷時序，在陣風來臨時，機組進行變槳卸載動作，由于存在時間的滯后性，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行時要大很多，對整機的安全性有較大影響。同時可以看出塔架載荷響應(yīng)大小對陣風幅值更為敏感，陣風幅值越大塔底俯仰極限載荷越大。在相同陣風幅值的條件下，上升時間越長，塔底俯仰彎矩的極限越大。通過表3 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，與標準模型響應(yīng)對比，當陣風幅值達到18.77 m時，塔架俯仰載荷遠大于標準工況的載荷。

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

圖9 塔底載荷響應(yīng)時序

圖10所示為不同極端陣風條件下葉根揮舞載荷，葉片揮舞載荷隨著風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)大小對陣風的上升時間更為敏感，上升時間越短極限載荷越大，這因為陣風幅值變化時間太快，由于葉片慣性的影響，變槳動作有一定滯后，導致葉片卸載過慢，此時葉片的揮舞極限載荷會急劇變大，而對于上升時間較長的陣風工況，葉片有一定的變槳響應(yīng)時間，其載荷相應(yīng)的要小。

圖10 葉片載荷響應(yīng)時序

3.2 凈空影響

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

各種風況組合情況下仿真計算的葉片凈空如表4 與圖11 所示，可以看出極端陣風對于葉片的凈空有很大的影響?，F(xiàn)場陣風幅值越大，葉片的凈空響應(yīng)越小。同時陣風的初始風速越小，機組響應(yīng)的凈空值相對會大。而在7 m 初始風速時疊加陣風產(chǎn)生的凈空已經(jīng)相對較小，此時已經(jīng)有掃塔的風險。對于陣風的上升時間，整體規(guī)律上是上升時間越短，對機組的凈空越不利。

表4 凈空響應(yīng)統(tǒng)計值Tab.4 Clearance response statistics

圖11 凈空響應(yīng)示意圖

4 結(jié)束語

該文針對復雜山地場址常出現(xiàn)的極端陣風，通過安裝激光雷達測風設(shè)備，監(jiān)測復雜場址風場出現(xiàn)的陣風風況，基于測風數(shù)據(jù)識別了幾種實測陣風數(shù)據(jù)，并驗證其與規(guī)范模型陣風的差異，開展了不同陣風對機組載荷特性以及機組凈空的研究。結(jié)果表明，復雜場址實測陣風比規(guī)范的陣風模型要更為惡劣，對于上升時間較長的陣風風況，標準模型將不能很好地復現(xiàn)實際的情況。對于載荷響應(yīng)，機組的塔底載荷對陣風幅值更為敏感，陣風幅值越大塔架極限載荷越大，而葉根載荷對于陣風的上升時間更為敏感，上升時間越短葉片極限載荷越大，所以對于極端陣風較多的場址，需對機組做對應(yīng)的安全性復核。同時陣風對于葉片的凈空具有很大的影響，特別是上升時間較短的極端陣風工況，對于條件惡劣陣風頻繁的場址，需要重點關(guān)注葉片的凈空問題，避免出現(xiàn)葉片掃塔的情況。