风电场阵风湍流引起的大风况下叶片过载分析及解决方案

风电场阵风湍流引起的大风况下叶片过载分析及解决方案

 祁秀萍

 新疆伊犁库克苏河水电开发有限公司  新疆·伊犁  835500

[摘  要]：“十三五”是我国新能源的大发展期，期间风电装机规模快速增长，已建成的部分陆上风电场受地形、风切变、风资源评估、建设期技术条件限制等因素影响，对风场极端湍流分析不足，导致风机叶片在极端风况下出现短时过载等恶劣运行工况，使得风机叶片的安全无法得到根本保证。本文就风电场特殊风况、叶片过载原因进行分析，提出扇区大风况湍流超标、叶片过载的解决方案。

[关键词]：风电场  阵风  湍流  叶片  过载  方案

0.引言

风能是全球可再生能源开发利用的主力能源之一，“十三五”期间我国风电装备制造、装机规模、发电量均引领全球，据不完全统计在我国已建成的风电场中，相当一部分风电场受建设期测风资源评估深度不足、技术条件限制、场址地形、设计等因素影响，呈现出风电场选址不佳、极端湍流超标、风机叶片短时间过载等诸多隐患，给风电场的安全、稳定运行带来了较大的挑战，直接影响到机组的利用小时数和使用寿命。

1.概述

某风电场装机50MW，安装25台93/2000型双馈异步风力发电机组，风电场自投产以来频繁出现设计大风况天气条件下机组极端湍流超标、振动超标停机、频繁开停机等现象，造成叶片缺陷较多、叶片疲劳载荷增加等问题和安全隐患，不仅降低了机组对风能的利用率和发电效能，而且使机组寿命缩短，甚至可能使风机关键控制部件、叶片等大部件损坏，造成较大的经济损失。

2.风况特性分析

2.1机组湍流强度分析

根据IEC61400-1标准，通过分析风电场投产以来实际运行的风资源数据，发现风场在高风速下，实际的湍流强度普遍较高，与设计阶段设计湍流存在较大差异，且在16m/s以上的高风速区域，实际湍流强度比GL2010标准规定的湍流高的多，湍流曲线如图1所示。

图1：设计及机组实际湍流曲线

进一步将各机位点湍流强度按照10度扇区细分分析时发现，同一机位点各扇区间的湍流强度差异明显，差距较大，其中湍流最大的扇区为东南风向135度扇区至157.55度扇区，达到0.2高湍流强度等级，如图2所示。

图2：不同风速下的扇区实际湍流曲线

2.2风能风频分析

根据风电场实际风况分析，该风场在高风速区域，风频较高，16m/s以上风频占比达6.9%，与GL2010规定的标准风况，年平均风速7.55m/s风场，16m/s以上风频占比3%左右的相关规定差异较大。

根据以上数据分析，可以得出该风场的风资源具有以下特点：

（1）风速在16m/s以上高风速风频分布相比较GL2010标准风况的风频分布高得多，且通过几年实际的风资源数据可以看出在极端情况下，风场风向变化极为频繁。

（2）该风电场地处山地丘陵区域，风场东、南为山峰环绕，风道向西北开口，整体呈“包”字形结构，主风向、风能与风场地形相一致。受风电场选址、地形、地面粗糙度、上风向机组尾流等主要因素影响，风场在16m/s以上高风速区域湍流大，特别是135度和157.5度扇区湍流比GL2010标准规定的湍流高出较多。

（3）风场风速变化剧烈，阵风较多，根据风场运行期测风数据分析，该风电场夏季受极端天气的影响较大，阵风风速从安全运行风速聚升至40m/s左右极端风速的时间很短，仅需3至5分钟即可上升至极端的破坏性风速。

针对该风场风资源特点，为确保机组安全运行，需要对机组安全性进行全面复核。

2.3安全性复核

通过进一步细分扇区，对该风电场各个扇区高风速最大湍流强度进行极限载荷仿真复核，复核结果如下表所示。从仿真结果可知：采用现场运行期各扇区湍流强度最大值进行极限载荷分析，机组实际承载的极限载荷明显超过设计阶段测风数据计算的载荷，主要超载部位为叶片中部、轮毂中心和塔顶。基于此载荷对风机轮毂、主机架、偏航齿圈及塔筒等部件进行强度分析，确定部件的强度满足要求，但作为风机能量捕获和转换的核心大部件的叶片，经强度计算，极限强度无法满足设计载荷要求，在阵风等极端的运行工况下，叶片存在较大的运行安全风险和隐患。

3.解决措施及方案

针对该风场高风速工况湍流大、扇区能量集中、风速风向变化极为剧烈的实际特点，通过安全、经济性分析，经反复论证，制定定制化的解决措施和方案，主要包括：阵风安全控制+削峰降载调节控制+扇区管理控制，各专项控制设计原理如下：

3.1阵风控制策略

针对风速、风向变化普遍较快，且幅度大的特点，制定了阵风控制策略。对于风向快速变化的阵风，通过特殊的偏航控制策略降低载荷，而对于风速变化剧烈的阵风，通过采用特殊的桨矩控制策略防止风轮过速，降低机组和叶片的载荷。

3.2削峰降载调节控制策略

削峰降载调节控制是根据机组的气动特性及整机结构特点，科学合理的规划最小桨距角曲线，通过变浆延时，优化浆距角，使机组在大风况下的载荷随风速平滑变化，不随风速的波动产生急剧的突变，从而减小对机组的载荷冲击，防止叶片在极短时间内的过载，保证机组稳定运行。

3.3扇区管理策略

针对风场部分扇区湍流大的特点，制定扇区管理策略，原理如图3所示，扇区管理策略主要包含以下两部分的内容：

（1）扇区控制模式：由于部分湍流较大的扇区，受前方机组尾流、地形和地面粗糙度影响较大，考虑到前方机组停机时，会减小对后方机组的尾流影响，因此在扇区控制区域中设置扇区控制模式选择模块，此模块中引入机组振动信号作为参考，当振动信号较小时，可判定为前方机组停机或受尾流影响较小，对机组的控制模式进行降级处理，在保证安全的前提下，提高机组的利用小时数和出力，兼顾其经济性。

（2）扇区控制等级： 根据扇区湍流强度的大小，将扇区控制分为大湍流、中等湍流、小湍流3个等级，不同湍流等级对应的控制策略不同，输出的桨距控制和扭矩控制信号响应特性不同，以便能更好的适应风速的变化。

图3：联合控制策略原理框图

4.解决方案的安全性复核

经过多轮载荷仿真和控制策略优化，经反复迭代，最终计算结果表明，采用上述解决方案的机组叶片实际载荷小于设计载荷，可以确保机组安全运行。如下表。

综合上述分析，风场的风资源存在湍流强度高于GL2010标准的湍流强度较多，导致机组部分扇区及运行工况下叶片载荷超过设计载荷，机组安全无法得到保证。针对风电场现场运行的实测风资源特点，通过分析，权衡安全性、经济性之间的关系，采取阵风控制+削峰降载调节控制+扇区管理控制的综合解决措施和方案后，经过叶片载荷分析及近2年时间的现场运行验证，机组振动超标等停机事件大幅减少，安全性得到了有效验证。

5.结语

“十四五”是我国能源转型的关键期，随着国家“3060”双碳目标的提出，构建新型电力系统正加速推进，风能作为未来新能源的主力能源，不论是产业升级更新还是新增装机容量都将会大规模、快速发展，随着低风速、大容量、大叶片、高塔筒风力发电机组的广泛运用和投入运行，风电安全性问题也将进一步突显。为此，风电场风力发电机组在全生命周期设计阶段须着重加强测风数据的分析评估，综合考虑风机机位、复杂地形条件、差异化扇区湍流、风电场地面粗糙度、风速风向快速变化等核心因素，细化湍流强度计算和风场风流特性仿真建模，优化风机设计和选型，按照安全性+经济性的原则，加大叶片安全载荷裕度。同时要落实叶片、轮毂、塔筒等风能转换核心部件的全过程制造监造及安装调试质量控制，不断提高风力发电机组的安全、可靠、经济运行管理水平。

参考文献：

1.GB 51096-2015《风力发电场设计规范》；

2.GB/T 18451.1-2022《风力发电机组 设计要求》；

3.GB/T 25383-2010《风力发电机组风轮叶片标准》；

4.IEC61400-1第三版 风机第一分项：设计要求。

作者简介：祁秀萍，女，1983年9月生，工程师，电气工程及其自动化专业，本科学历，从事电力生产、运维管理及安全管理工作。