风电机组叶片与塔架间最小距离的影响因素分析

摘 要：随着风力发电技术的发展，叶片长度越来越长，越来越柔软，叶片与塔架间的最小安全距离能否满足标准要求往往成为制约机组设计的关键因素。现针对某兆瓦级直驱风电机组，通过3种方法调整了叶片与塔架间的最小距离，并对比了机组功率及关键部件载荷，对叶片与塔架间最小距离的主要影响因素及其规律进行了分析总结。

关键词：风电机组;叶片距塔架间最小距离;影响因素

0 引言

随着风力发电技术的发展，风电机组功率越来越大，叶片也越来越长，越来越柔软，导致叶片变形越来越严重。在设计开发过程中，叶片距塔架的最小距离能否满足标准要求成为了制约机组设计的关键问题。影响叶片与塔架最小距离的因素有很多，影响程度各不相同。本文针对固定环境条件下的某兆瓦级直驱风电机组，通过3种方法调整叶片与塔架的最小距离，并对比机组发电量及关键部件载荷，分析总结了叶片与塔架间最小距离的主要影响因素及规律。

1 叶片与塔架间最小距离

在风电机组设计过程中，需要着重考虑保证叶片和塔架之间不会发生机械干扰，即叶片最大变形要小于静止状态下叶片到塔架的距离。叶片变形计算公式：

D=（S-T）×1.1×PSF×1

式中，D表示叶片最大变形;S表示叶片静止状态下叶尖距离塔架的最小距离;T表示仿真得到的叶尖到塔架的最小距离;PSF表示局部安全系数。

本文主要针对叶片变形计算公式中的相关参数进行调整分析，所有计算工况均按照IEC 61400-1标准制定，计算时采用相同的空气密度、湍流强度。

2 锥角、仰角对叶片与塔架间最小距离的影响

直接增大锥角及仰角可以有效增大叶片与塔架间的最小距离，但会导致有效风轮面积变小，损失发电量，引起叶根及轮毂载荷变化，因此需要对此进一步分析。

首先，分析锥角及仰角变化引起的载荷及功率变化。机组初始设计时采用的锥角为-4.0°、仰角为5.0°，所以选取以下锥角、仰角组合进行分析：（1）锥角-4.0°，仰角分别为5.0°、5.5°、6.0°、6.5°、7.0°、7.5°;（2）仰角5.0°，锥角分别为-4.0°、-4.5°、-5.0°、-5.5°、-6.0°、-6.5°。载荷随仰角变化如表1所示，载荷随锥角变化如表2所示。

由表1可以看出，随着仰角的变大，各部件载荷呈现近似线性增大或减小趋势。叶根摆振载荷Mx变化较小，挥舞载荷My增幅较大。轮毂中心扭转载荷Mx变化较小，弯曲载荷My和Mz降幅较大。由表2可以看出，相对于仰角，叶根载荷对锥角变化敏感度更高，轮毂载荷对锥角和仰角变化敏感度都比较大。所以锥角应尽量选在5.0°以内。

机组初始设计时采用的锥角为-4.0°、仰角为5.0°，经统计得到叶片与塔架最小距离不满足标准要求。需将锥角仰角之和定到11.5°才可满足最小距离要求。现取如下组合进行分析：（1）锥角-4.0°、仰角7.5°;（2）锥角-4.5°、仰角7.0°;（3）锥角-5.0°、仰角6.5°;（4）锥角-5.5°、仰角6.0°。不同锥仰角组合下载荷、功率及最小距离变化如表3所示。

由表3可知，在满足叶片距塔架最小安全距离的情况下，组合（1）（2）叶根挥舞载荷My具有较小增幅、轮毂中心弯曲载荷My及Mz具有较大降幅;考虑功率损失的情况下，组合（2）优于组合（1），所以选择锥角-4.5°、仰角7.0°的组合更合理。

3 控制策略对叶片与塔架间最小距离的影响

叶片与塔架间最小距离一般发生在额定风速附近，通过调整控制策略，在额定风速附近提前变桨，降低推力，以增大叶片与塔架最小距离。但同时由于提前變桨会损失发电量，所以需选取合适的提前变桨角度。本次分析考虑提前变桨0.5°、1.0°、1.5°、2.0°，其比对结果如表4所示。

由表4可以看出，随着提前变桨角度的增大，功率损失线性增大，叶尖距塔架距离也变大。提前变桨1.5°和2.0°对功率和叶尖距塔架距离影响较大。因此，综合考虑选取提前变桨角度为1°。

4 重力对叶片与塔架间最小距离的影响

随着叶片越来越长，重心位置距塔架距离越来越远，重力对叶片变形的影响越来越大。叶片变形公式中的一个重要参数是S，即叶片静止状态下叶尖距塔架的最小距离。在计算该值时是否考虑叶片重力会有很大差异。

在不考虑重力的情况下，S由三角函数关系计算得到。若考虑重力则需要通过仿真得到。在软件中设置将风轮锁死，使风轮停止在180°方位角，即叶片1竖直向下，叶片桨角设置为0°，输入一个极小的风速进行仿真，即可得到在重力影响下的静止叶片与塔架间的最小距离S。重力对静止状态下叶片与塔架距离的影响如表5所示。

由表5可以看出，考虑重力后，静止状态下叶片距塔架最小距离S有4%左右的降幅，可以直接推导出仿真得到的叶尖距塔架的最小距离T还能有4%左右安全余量，为机组降本增效提供了更多空间。

5 结语

本文分析了风电机组锥角、桨角、提前变桨控制参数及重力对机组叶片距塔架最小安全距离的影响。其中，改变锥角和仰角效果比较明显，但需结合关键部件载荷及功率来分析选取合适的锥角、仰角组合;提前变桨也可以增加最小安全距离，同时需考虑功率损失以便选取合适的提前变桨角度;在叶片与塔架最小安全距离计算时，应考虑静止状态下重力对叶片变形的影响。

收稿日期：2019-12-20

作者简介：高中华（1985—），男，山东汶上人，工程师，研究方向：风力发电机组载荷仿真。