风电机组疲劳载荷影响因素分析（三）

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（三）

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 不同偏航误差对疲劳载荷的影响

根据GL规范[1]和IEC标准[2]，疲劳载荷主要来自DLC1.2正常运行工况。对疲劳载荷工况和极限载荷工况仿真时，都必须考虑一定的偏航误差角度。对DLC1.2工况，一般需要考虑±8°的偏航误差角度。通过我们的仿真结果分析，如果不考虑±8°的偏航误差角度，则等效疲劳载荷基本没有什么变化。表1是对某款多兆瓦级风电机组在考虑±8°偏航误差和不考虑偏航误差下等效疲劳载荷的对比，我们同时也对其他不同型号的多兆瓦级风电机组在考虑±8° 偏航误差和不考虑偏航误差下的等效疲劳载荷进行了对比，对比结果都差不多，即考虑偏航误差时等效疲劳载荷有所降低，但降低的幅度非常小，几乎没有什么变化。因此，偏航误差对等效疲劳载荷的影响非常小。

3 不同风倾斜角对疲劳载荷的影响

表1 不同偏航误差对比

表2 标准IEC III类设计等级不同风倾斜角对比

表3 标准IEC III类设计等级不同风倾斜角对比

根据GL规范[1]和IEC标准[2]，对于陆上风电机组一般需考虑向上8°的风倾斜角，而对于海上风电机组一般不考虑风倾斜角。但对于实际的风电场，由于地形的复杂性，有时风倾斜角可能大于8°，有时风倾斜角也可能小于8°。表2对两款多兆瓦级、不同设计等级风电机组在向上风倾斜角为0°、10°和20°时进行了计算，对比结果如表2所示。

从表3、表4、表5的对比结果可以看出，风倾斜角的变化主要影响变桨系统和驱动链，特别是变桨系统，随着风倾斜角的增大，变桨系统和驱动链的疲劳载荷会增加。风倾斜角的变化对风电机组其他系统的影响不是很大，但总体来说等效疲劳载荷会随着风倾斜角的增大而增大。

表4 标准IEC II类设计等级不同风倾斜角对比

表5 标准IEC II类设计等级不同风倾斜角对比

4 不同空气密度对疲劳载荷的影响

在风电机组的原始设计时，空气密度一般按标准空气密度，即1.225kg/m3进行计算，但实际风电场中空气密度往往比标准空气密度要低。为了分析空气密度的变化对疲劳载荷的影响，我们分别对两款多兆瓦级、不同设计等级风电机组在1.225kg/m3、1.000kg/m3、0.800kg/m3三种不同空气密度下进行了计算，比较结果如表6、表7、表8、表9所示。

从对两种风电机组、两种不同空气密度与标准空气密度的对比，我们可以发现空气密度对等效疲劳载荷影响非常大，而且空气密度对等效疲劳载荷的影响几乎成线性的关系，只是降低的幅度比空气密度降低的幅度要小一些。另外，由于风电机组大小的不同，空气密度变化对个别载荷分量的影响不尽相同，如对变桨驱动力矩Mx、驱动链扭矩Mz、推力Fz等会随着风轮直径的增大而降低得更多或更少。

5 结论

本文主要从不同偏航误差、不同风倾斜角和不同空气密度三个方面分析了它们对等效疲劳载荷的影响。三个因素中偏航误差对等效疲劳载荷的影响最小，在设计时几乎可以忽略。风倾斜角对变桨系统和驱动链等效疲劳载荷有一定的影响，特别是对变桨系统影响较大。三个因素中空气密度对等效疲劳载荷的影响最大，几乎与空气密度的变化成线性关系[3]。

本系列文章中分析了不同因素对风电机组疲劳载荷的影响，由于都是针对具体机型进行的对比分析，因此不能

代表普遍现象，一些分析结果仅供参考。

表6 标准IEC III类设计等级不同空气密度对比

表7 标准IEC III类设计等级不同空气密度对比

表8 标准IEC II类设计等级不同空气密度对比

表9 标准IEC II类设计等级不同空气密度对比

[1]Germanischer Lloyd WindEnergie GmbH.Guideline for the Certification of Wind Turbines Edition 2003 with Suppl 2004[S]. Heydorn Druckerei und Verlag,Uetersen/Germany,2003.

[2]IEC 61400-1:1999-02 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 (Ⅲ)

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. ftere are many impact factors for wind turbine fatigue loads. ftis paper mostly compared two impact factors, namely diferent design operation wind speed range and diferent design turbulence intensity classes, and analyzed their efect extent for fatigue loads.

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

TM614

A

1674-9219(2013)10-0082-05

2013-02-27。

许移庆（1978-），男，硕士，工程师，长期从事风力发电方面的工作。