风电机组疲劳载荷影响因素分析（二）

许移庆

（上海电气风电设备有限公司，上海 200241）

风电机组疲劳载荷影响因素分析（二）

许移庆

（上海电气风电设备有限公司，上海 200241）

风电机组设计主要由疲劳载荷和极限载荷决定，而风电机组运行环境的不确定性和不稳定性使得疲劳载荷对一些部件的设计尤为重要。影响疲劳载荷的因素很多，本文主要从不同设计运行风速范围和不同设计湍流强度等级两个方面进行比较，分析了两者各自对疲劳载荷影响的程度。

风电机组；等效疲劳载荷；运行风速范围；湍流强度

0 引言

风电机组的载荷主要分疲劳载荷和极限载荷两种。风电机组的运行环境状况比较恶劣，要使其在恶劣的环境下运行20年，须对疲劳提出较高的要求。另外，风的不确定性也会影响疲劳载荷分析的精确性。各种因素对疲劳载荷的影响程度不尽相同，为了更好地了解这些因素对风电机组疲劳载荷设计的影响，本文通过大量的计算数据对这些可能的影响因素进行了比较分析。

1 等效疲劳载荷

风电机组疲劳载荷分析形式主要有三种：实时的时间序列、载荷持续分布（LDD）和等效疲劳载荷。不同的部件设计要求使用不同的疲劳载荷形式，其中等效疲劳载荷是最简单的一种，在初步设计时用此方法比较方便，可以比较快地知道疲劳载荷是否满足要求。

在风电机组中，等效疲劳载荷是根据实时的仿真时间序列（其中有几个是根据GL（德国船级社）规范[1]或IEC标准[2]直接进行计算的），通过雨流计数法（RFC）和瑞利（Rayleigh）分布得到的，本文主要对比分析等效疲劳载荷。

2 不同设计运行风速范围对疲劳载荷的影响

目前，风电机组设计的正常运行风速范围一般在3m/s－25m/s之间，对一些低风速区的风电机组，也有在3m/s－20m/s、3m/s－22m/s等范围内的。针对这种情况，本文主要对比了两台不同设计等级的多兆瓦级风电机组在3m/ s—25m/s正常运行风速范围和3m/s—20m/s正常运行风速范围之间的等效疲劳载荷的差异，分析了不同正常运行风速范围对等效疲劳载荷的影响，如表1、表2所示。

从两种不同机型的对比中可以看出，正常运行风速范围的变化对等效疲劳载荷影响不大，但不同的设计等级也有不同的变化。对低风速区的风电机组，如IEC III类及以下风区，当风速范围从3m/s－25m/s改为3m/s－20m/s时，等效疲劳载荷仅降低了1%－2%，几乎没有什么变化。对高风速区的风电机组，如II类及以上风区，当风速范围从3m/s－25m/s改为3m/s－20m/s时，等效疲劳载荷降低得多一些，但大部分也在1%－3%之间，变化也不是很大。其原因主要是根据瑞利分布，风速在20m/s－25m/s之间所占的时间比较少，而风区越低，所占的时间会更少。

3 不同湍流强度对疲劳载荷的影响

根据GL规范[1]或IEC标准[2]，风电机组的湍流强度等级一般有A、B两种，新的IEC版本中也有C等级的湍流强度等级。在风电机组设计中，起控制作用的载荷主要是疲劳载荷，而湍流强度等级对疲劳载荷的影响比较大，因此通过分析不同的湍流强度等级的疲劳载荷，对风电机组的优化设计帮助比较大。本文主要对比了两台不同设计等级的多兆级瓦风电机组在A、B不同湍流强度等级时的等效疲劳载荷，分析了不同湍流强度等级对等效疲劳的影响，如表3、表4所示。

从两款不同标准IEC设计等级的风电机组A、B类湍流强度的对比可以发现，湍流强度降一个等级，等效疲劳载荷基本降低10%左右。因此，湍流强度对等效疲劳载荷的影响非常大[3]。另外，由于IEC II类风电机组的风轮比IEC III类风电机组的风轮要小，从对比的结果中还可以看出同样是降低一个湍流强度等级，但风轮直径小的相比风轮直径大的等效疲劳载荷降低要小一些。因此，风轮直径越大，同样前提条件下，等效疲劳载荷降低要多一些。

表1 标准IEC III类设计等级不同正常运行风速范围的比较

表2 标准IEC II类设计等级不同正常运行风速范围的比较

表3 标准IEC II类设计等级不同湍流等级的比较

表4 标准IEC III类设计等级不同湍流等级的比较

4 结论

本文主要从不同设计正常运行风速范围和不同设计湍流强度等级两个方面对等效疲劳载荷的影响进行了分析比较。不同设计的正常运行风速范围对等效疲劳载荷的影响相对来说比较小，基本在3%以内，大部分在1%左右。不同设计湍流强度等级对等效疲劳载荷的影响相对来说要大很多，基本上降一个湍流强度等级，等效疲劳载荷就会相应的降低10%。另外，风轮直径越大，降低湍流强度等级对降低等效疲劳载荷的作用越明显。

[1] Germanischer Lloyd WindEnergic GmbH. Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Suppl 2004[M].Heydorn Druckerei und Vetersen/Germany,2003.

[2] IEC -61400-1: Wind turbine generator systems-Part 1: Safety requirements[S].1998.

[3]高学海,王华.风电机组转盘轴承的加速疲劳寿命试验[J].风能,2 012(11):76-80.

Analysis of Impact Factors on Wind Turbine Fatigue Loads (Ⅱ)

Xu Yiqing
(Shanghai Electric Windpower Equipment Co., Ltd., Shanghai 200241, China)

Wind turbine design is mainly dominated by fatigue loads and extreme loads. Fatigue loads are especially important for some components design because of uncertainty and instability of wind turbine operation environment. There are many impact factors for wind turbine fatigue loads. This paper mostly compared two impact factors, namely different design operation wind speed range and different design turbulence intensity classes, and analyzed their effect extent for fatigue loads.

wind turbine; equivalent fatigue load; operation wind speed range; turbulence intensity

TM614

A

1674-9219(2013)09-0090-03

2012-12-27。

许移庆（1978-），男，硕士，工程师，长期从事风力发电方面的工作。