湍流强度对风电机组动力学特性及载荷的影响

巫发明，杨从新，王 靛，杨 柳

湍流强度对风电机组动力学特性及载荷的影响

巫发明1,2，杨从新1※，王 靛2，杨 柳2

（1. 兰州理工大学能源与动力工程学院，兰州 730050；2. 中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部，株洲 412000）

为研究湍流强度对机组动力学特性及气动载荷的影响，以3.3 MW三叶片水平轴风电机组为研究对象，采用仿真及试验相结合的方法，并对来流风速和主导载荷进行功率谱分析。通过开展4种湍流强度0.10、0.12、0.14和0.16的计算仿真，结果表明随着湍流强度的增加，风电机组机舱振动加速度、载荷及等效疲劳载荷都有规律性变化。为验证仿真结果的合理性，对某风场的型式测试机组进行1a多的数据测试采集和分析。测试结果表明，机组运行在0.06、0.08、0.10和0.12这4种不同湍流强度下，其机组在不同风速运行下的机组振动及载荷同样出现有规律性的变化，仿真与实测结果的变化趋势吻合度较高。该研究为风电场风电机组的微观选址提供依据，也对风电机组设计有一定的指导意义。

风；发电；动力学；风电机组；湍流强度；气动载荷

0 引 言

湍流是普遍存在且被许多研究者持续探索的自然现象。大气湍流对飞行器的飞行性能、结构载荷、飞行安全的影响很大。因湍流引发的飞行事故时有发生，但通过现代技术可以有效避开强湍流或尽量降低危害程度。但风电机组固定安装于某个位置，当天气变化，导致机组可能受到不同程度湍流影响，为保证风电机组的安全性和长期稳定可靠运行，机组的设计需要考虑运行环境条件的湍流变化带来的载荷问题[1-2]。在过去几年里，越来越明显的是风电机组对风能的转化必须面对更高湍流的挑战，湍流强度对大型风电机组的载荷的影响需要探讨。在不同湍流强度下，其风电机组载荷有相应的变化[3]。

近年来，风电机组变得越来越大，陆地大功率机组直径已达到160 m，海上机组直径接近200 m，从流体力学的角度来看，风电机组是在湍流大气边界层中运行的大型机械，这是非常大的挑战，因为风场的多尺度特性，从剖面上的局部流动条件到风电场尾流的相互作用[4-8]。复杂地形会使大气边界层流动产生扰动，湍流强度加局，从而影响风电机组的效率，破坏机组的安全运行，缩短机组的寿命。因为湍流对风电机组载荷、寿命和动力学特性有直接影响[9]，当湍流强度大时，增加风电机组的疲劳载荷，加剧机组的振动，最终造成机组损坏。强烈的湍流扰动可能是导致机组断裂损坏的主要原因[10-11]。

湍流强度的增加使风电机组的气动力、重力和惯性载荷之间的耦合效应更加复杂，国内外一些研究工作者通过建立风电机组模型了解风电机组的动态总体性能、载荷情况，不少学者对风电机组模拟的方法进行了研究，并成功地应用于工程实践。也有不少学者对如何减小风电机组的载荷，提高风电机组性能做了相关的研究，但针对湍流强度如何影响风电机组载荷和动力学特性的研究还很少见。国际电工委员会发布的最新版IEC61400-1标准[12]，给出湍流强度指标对风电机组的载荷设计进行了分类，其湍流强度等级由第三版的3个等级增加到4个等级，正与国内复杂地形相对应，特别容易出现个别机位的湍流强度特别大，出现超A类的现象。国际上Vera-Tudela等[13-14]通过仿真手段指出，当湍流强度较大时，风电机组输出功率会相应减少，风电机组的疲劳载荷会增大，同时，还可能引起较大的瞬态载荷，最终造成风电机组疲劳破坏，但是没有实际测试数据支撑。叶杭冶等[15-18]对如何控制策略的方法，减小风电机组的疲劳载荷，提高风电机组性能及寿命进行了相关的仿真研究，但未见有关于湍流强度对风电机组载荷随风速变化和应用实测与仿真对比相结合的研究。Tony等[10]研究指出通常将作用在旋转叶片上的稳定风速与波动风速产生的载荷分开。将风速在叶轮扫掠面积空间内的变化，所产生的叶片上的周期性载荷称为确定载荷部分，因为它是由一些参数唯一确定，如轮毂高度、转速、风剪切力等。另外，由风速波动产生（即湍流）的随机载荷只能通过概率预测来描述，因此称其为随机载荷部分。除了风载，旋转叶片还受重力和惯性载荷的作用。重力载荷只取决于叶片的角度和质量分布，但惯性载荷可能受湍流的影响。从国内外学者研究结果来看，有必要对湍流强度与风电机组载荷、动力学特性之间的内在联系开展相应的研究工作。本文以3.3MW变速变桨型风电机组为例，主要研究湍流强度对大型风电机组载荷、动力学特性的影响，并进行了仿真计算和测试验证。

1 研究方法及计算模型

湍流强度反映了风速的波动。湍流强度越大，气流越不稳定，风速波动越大，使得风电机组的气动载荷变成了交变载荷。由于风电机组承受的重力载荷、风载、以及惯性载荷，最终都通过传动链传递至塔筒。因此，对于风电机组而言，叶根和塔底承受的弯矩载荷是最大的，值得重点关注的。依据文献[18-19]，塔底、叶根及传动链的载荷都是考虑俯仰弯矩、倾覆弯矩及扭矩。另外，风电机组是包含刚性体和柔性体的多体系统，包含叶片、机舱和塔架等部件。各部件之间的相对运动以及各部件弹性变形相互影响和耦合，形成了风电机组系统复杂的结构动力学特性。湍流强度影响将直接带来机组动力学特性问题。因此，本文以叶根，传动链及塔底俯仰弯矩为例，对湍流强度与载荷之间的内在联系进行研究。同时，分析湍流强度变化对机舱振动加速度的影响。

1.1 湍流强度

湍流强度与离地高度，地表面粗糙度有关。然而，它也受地貌特征的影响，如高地和山脉，位于上风向的树和建筑物等。对于风力机运行所面临的大气边界层环境条件，主要功率谱有IEC Kaimal谱模型：

中性大气条件下，3个方向（=）的速度谱为

式中hub为风电机组的轮毂高度,m。

式中ref为10 min平均风速为15m/s时轮毂高度处湍流强度的期望值[12]。

1.2 动力学模型

对于个自由度具有阻尼的线性系统运动方程式为

风电机组机舱振动特性类似于阻尼强迫振动的特点[10]，风电机组动力学模型如下

1.3 湍流的影响及功率谱

另外，可采用功率频谱描述在不同的频率下能量的波动的分布。随机性载荷能很方便地在频域范围内进行分析，但是为了更加便于分析，相干函数通常采用指数相干模型，相干函数(Δ,)表达式如下：

脉动风速功率谱表现了脉动风能量在整个频率范围内的分布特征，是进行结构风荷载效应随机振动分析的前提之一。功率谱密度存在如下性质：输出信号的功率谱密度等于输入信号的功率谱密度与传递函数模值平方的乘积[20]。

1.4 等效疲劳载荷

等效疲劳载荷是对给定测量时间内疲劳载荷效果的一种方便、简明的描述。等效载荷是一个概括的信号载荷，在给定的时间历程中以给定的频率出现的总循环次数施加这个载荷时，它所造成的疲劳损伤与测得的载荷谱中所有雨流计算出的载荷幅值造成的损伤之各是相同的。

雨流循环计算是用作结构疲劳分析公认的方法。指定一个或多个材料S-N曲线的斜率与频率，计算出的等效载荷作为恒频正弦载荷的振幅，它将得到与原始信号一样的疲劳损伤。载荷测试的10 min结果的1 Hz等效载荷由式(10)给出。

2 仿真模型分析与验证

湍流对风电机组寿命和可靠性有直接影响，影响风电机组寿命的主要是机组承受的疲劳载荷和振动。因此本文主要分析了不同湍流度下机组的振动特性和疲劳载荷变化特性。

2.1 计算模型

为验证湍流强度与机组动力学特性、载荷的相关性，本文运用风电行业专业软件GH-Bladed，对3.3MW风电机组进行仿真计算。该机组的主要参数如表1所示。

表1 3.3MW风电机组参数

计算条件为：平均风速3～20 m/s，湍流强度ref为0.16()，0.14()，0.12()和0.10()。风电机组振动特性及载荷分析中，需建立坐标系才能对整机及部件进行建模和计算分析。国际电气委员会（IEC）制定的相应标准中规定了坐标系[12]。

2.2 不同风速下的机舱振动加速度对比分析

为分析湍流强度变化对风电机组动力学特性的影响。对正常运行风速3～20 m/s下，不同湍流强度的风电机组10 min内最大值，最小值及平均值机舱振动加速度情况进行统计。

从图1a可知，机舱前后振动与湍流强度关联较大，湍流强度上升0.02，其振动加速度值上升达到10%。从图1b可知，其中机舱左右振动与湍流强度关联也较大，且在额定风速附近出现峰值点，原因是此处有转矩控制到变桨控制切换的过程，存在一定的冲击。由式（9）可知，湍流强度上升0.02，气动力的波动变化可达到14%。再根据式（6）可知，机舱振动加速度与气动力波动强度相关。

图1 不同湍流强度下机舱振动加速度随风速变化曲线（仿真）

2.3 不同风速下的运行载荷对比分析

为分析湍流强度变化对风电机组载荷的影响。对正常运行风速3～20 m/s下，不同湍流强度的风电机组10 min内最大值，最小值及平均值弯矩载荷情况进行统计，同样分析叶片、传动链和塔筒的受载情况。叶片主要分析不同风速下的叶根摆振弯矩（Mx）和叶根挥舞弯矩载荷（My）；传动链在不同风速下的旋转轮毂转矩（Mx1）、俯仰弯矩（My1）和偏航弯矩（Mz1）的载荷；塔筒在不同风速下塔顶左右弯矩（Mx2）、前后弯矩（My2）、扭矩（Mz2）和塔底左右弯矩（Mx3）、前后弯矩（My3）载荷。

从图2a和图2b可知，叶根Mx与湍流强度关联不大，但叶根挥舞弯矩My受湍流强度影响较为明显，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%。其Mx影响较小的原因是叶根摆振弯矩Mx源于叶片自身重力的影响，这是文献[10]指出的确定载荷部分，与湍流强度关联性不大。

图2 叶根弯矩随风速变化曲线（仿真）

从图3可知，旋转轮毂Mx1与湍流强度关联不大，但My1、Mz1受湍流强度影响较为明显，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%。其中旋转轮毂Mx载荷影响较小的原因，转矩是受转速控制，能保持稳定。

从图4可知，塔顶Mx2与湍流强度关联较小，塔顶My2和扭矩Mz2受湍流强度影响较为明显，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%。

从图5可知，塔底Mx3与湍流强度关联性随着风速的增加而增大，塔底My3受湍流强度影响较为明显，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%，特别是随风速的增大后更加明显。

2.4 功率谱对比分析

针对风速12m/s，湍流强度ref分别0.12和0.16。对风速、叶片、轮毂和塔顶Mx、My载荷进行功率谱分析，具体如图6，7所示。

图3 旋转轮毂弯矩载荷随风速变化曲线（仿真）

图4 塔顶弯矩随风速变化曲线（仿真）

从图6、7的功率谱可明显看出，风速没有明显峰值，但叶片、轮毂和塔顶Mx，My主导载荷中出现明显的尖峰，这主要来源于风电机组转频和部件固有频率，其中风电机组转频1P约为0.175 Hz，塔筒1阶约0.254 Hz，叶片挥舞1阶约0.53 Hz，叶片摆振1阶约0.92 Hz，传动链1阶或叶片挥舞2阶约1.24 Hz，叶片摆振2阶约2.5 Hz。其峰值都随着湍流强度变大，主要原因是其波动能量随着湍流强度变大而增加，但部件固有频率值不发生改变。从功率谱变化情况说明湍流强度对风电机组有明显的影响，特别是叶片、轮毂和塔顶My载荷。

图5 塔底弯矩随风速变化曲线（仿真）

2.5 等效疲劳载荷对比分析

根据IEC61400－13标准[21]，在不同湍流强度下计算风电机组的载荷，并进行等效疲劳载荷统计，表2给出叶根、传动链和塔筒各关键载荷随湍流强度变化的比值。随着湍流强度上升，等效载荷有明显的上升。湍流强度每上升0.02，传动链（旋转轮毂）和塔筒（塔顶和塔底）等效疲劳载荷基本有10%的上升。但叶根等效载荷Mx变化较小，其主要原因是叶根Mx载荷波动来源叶片质量，与湍流强度相关性较小。

图7 风速及主导载荷的功率谱（Iref-0.16）

表2 不同湍流风电机组等效疲劳载荷比值

注：、、、为湍流强度0.16、0.14、0.12、0.10。

Note:,,,are turbulence intensities 0.16, 0.14, 0.12, 0.10, respectively.

3 试验分析及验证

3.1 测试条件

为了进一步研究和分析湍流强度引起的载荷问题，本文按照IEC61400－13的标准要求[21]，在青海都兰风电场的测试样机上进行长达1年多的数据采集，并进行分析研究，测试样机如图8测试风场的空气密度0.9 kg/m3，年平均风速7.5 m/s。测试机构为国内认证公司CGC。

图8 样机

为分析验证湍流对正常运行下风电机组的影响，主要通过测试机舱振动加速度，叶片和塔筒的受载情况来进行分析。本文测试分别在叶根、塔顶和塔底的安装了载荷测试的应变片传感器，对载荷进行长期监测。其测试的样品量达到752个数据点，测试湍流区间主在0.06～0.12范围内653个数据点。图9分别给出叶根Mx和My的测试散点图，包括载荷的最大值，最小值，平均值和标准偏差值。从图9可以看出叶根Mx载荷集中性比较高，叶根My离散度相对高一些。

图9 叶根摆振和挥舞弯矩统计数据（测试）

3.2 测试结果分析

在不同风速下，机舱振动前后加速度和左右加速度、叶根Mx和My载荷、塔筒顶部Mx2，My2，Mz2和塔筒底部Mx3，My3载荷。具体如图10－图13。

图10 机舱振动加速度随风速变化曲线（测试）

从图10a可知，机舱前后振动与湍流强度关联较大，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%。从图10b可知，其中机舱左右振动与湍流强度关联较大，且在额定风速附近出现峰值点，仿真结果与试验结果趋势一致，其原因是此处有转矩控制到变桨控制切换的过程，存在一定的冲击。

图11 叶根弯矩随风速变化曲线（测试）

从图11测试结果可知，叶根载荷中Mx与湍流强度关联不大，与仿真趋势基本致。同样My受湍流强度影响较为明显，湍流强度上升0.02，其载荷上升达到10%。

从图12测试结果可知，塔顶My与Mz载荷与湍流强度相关性都较大，湍流强度上升0.02，其载荷都上升达到10%。但塔顶Mx的载荷在达到额定风速后，其最大值基本不受湍流的影响，但最小值还随湍流变化有一定的变化，其主要原因是达到额定后，最大转矩已受到限定。与仿真结果趋一致。

从图13测试结果可知，塔底Mx、My载荷与湍流强度相关性较大，湍流强度上升0.02，其载荷都上升达到10%。

从图10－图13测试结果来看，总体趋势仿真基本一致，说明仿真的合理性，但由于测试的样品量在高速和高湍流的数据量偏少，还存在一些奇异点。但总趋势还是能反映出合理性。因此，风电机组的优化设需着重考虑风场湍流强度影响。湍流强度是需要提前确定并在风电机组载荷设计及风电场选址过程中予以考虑的，对于湍流强度较大的地区，风电机组设计载荷应考虑以适当的系数进行修正，以保证风电机组的疲劳寿命安全。

图12 塔顶弯矩随风速变化曲线（测试）

图13 塔底弯矩随风速变化曲线（测试）

4 结 论

本文研究风电场湍流强度对风电机组的影响，从分析情况可知，湍流强度的变化影响风电机组的振动和疲劳载荷，并通过样机测试进行验证。主要结论如下：

1）从仿真结果来看，随着湍流强度的增加，风电机组机舱振动加速度增加。湍流强度每上升0.02，机舱前后振动加速度值的增幅也达到10%。其中机舱左右振动与湍流强度关联也较大，且在额定风速附近出现峰值点，原因是此处有转矩控制到变桨控制切换的过程，存在一定的冲击。

2）从仿真结果来看，随着湍流强度的增加，风电机组的重要部件的主导载荷和疲劳载荷增加。湍流强度每上升0.02，其叶根My、轮毂My1、塔顶和塔底My2、My3的等效疲劳载荷接近10%的上升；从功率谱分析来看，湍流强度对风电机组有明显的影响，特别是叶片、轮毂和塔顶My载荷。

3）从测试结果来看，湍流强度与风电机组机舱振动和疲劳等效载荷强相关。测试结果表明，机组在不同风速运行下的机组振动及载荷同样出现有规律性的变化，仿真与实测结果的变化趋势吻合度较高。

由以上分析可知，对于湍流强度较大的地区，风电机组设计载荷应考虑以适当的系数进行修正，以保证风电机组的疲劳寿命安全。因此，对湍流高的地区的风电机组部件的承受能力要适当加强。这为风电场风电机组的微观选址提供依据，也对风电机组设计有一定的指导意义。

[1] 李鸿秀，朱瑞兆，王蕊，等. 不同地形风电场湍流强度日变化和年变化分析[J]. 太阳能学报，2014，35(11)：2327-2333.

Li Hongxiu, Zhu Ruizhao, Wang Rui. Wind turbulence intensity of daily and yearly variation analysis in different kinds of terrain[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2014, 35(11): 2327-2333. (in Chinese with English abstract)

[2] 付德义，薛扬，焦渤，等. 湍流强度对风电机组疲劳等效载荷的影响[J]. 华北电力大学学报，2015，42(1)：45-50.

Fu Deyi, Xue Yang, Jiao Bo, et al. Effect on the turbulence intensity to wind turbine fatigue equivalent load[J]. Journal of North China Electric Power University, 2015, 42(1): 45-50. (in Chinese with English abstract)

[3] 邓英，周峰，田德，等. 不同风湍流模型的风电机组载荷计算研究[J]. 太阳能学报，2014，35(12)：2395-2400.

Deng Ying, Zhou Feng, Tian De, et al. Research on load calculation of wind turbine for different wind turbulence model[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2014, 35(12): 2395-2400. (in Chinese with English abstract)

[4] 曹娜，于群，王伟胜，等. 风电场尾流效应模型研究[J]. 太阳能学报，2016，37(1)：222-229.

Cao Na, Yu Qun, Wang Weisheng, et al. Research on wakeeffect model on wind farm[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2016, 37(1): 222-229. (in Chinese with English abstract)

[5] 李少华，岳巍澎，匡青峰，等. 双机组风力机尾流互扰及阵列的数值模拟[J]. 中国电机工程学报，2011，31(5)：101-107.

Li Shaohua, Yue Weipeng, Kuang Qingfeng, et al. Numerical simulation of wake interaction and array of double wind turbine[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(5): 101-107. (in Chinese with English abstract)

[6] 宋丽莉，吴战平，秦鹏. 复杂山地近地层强风特性分析[J]. 气象学报，2009，67(3)：452-460

Song Lili, Wu Zhanping, Qin Peng. An analysis of the characteristics of strong winds in the surface layer over a complex terrain. Acta Meteorologica Sinica , 2009, 67(3): 452-460. (in Chinese with English abstract)

[7] 吴丰林，方创琳. 中国风能资源价值评估与开发阶段划分研究[J]. 自然资源学报，2009，24(8)：1412-1421.

Wu Fenglin, Fang Chuanglin. Wind power resource appraisa land development stage regional division of China[J]. Journal of Natural Resources, 2009, 24(8): 1412-1421. (in Chinese with English abstract)

[8] 何鸿川，袁巍. 典型山地地形风力机气动性能评估及布局探索[J]. 太阳能学报，2017，38(10)：2683-2692.

He Hongchuan, Yuan Wei. Aerodynamic performance evaluation and layout exploration of wind turbine in typical mountainous terrain[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2017, 38(10): 2683-2692. (in Chinese with English abstract)

[9] 邓英，李嘉楠，刘河生，等. 风电机组尾流与疲劳载荷关系分析[J]. 农业工程学报，2017，33(10)：239-244.

Deng Ying, Li Jianan, Liu Hesheng, et al. Analysis on relationship between wake and fatigue load of wind turbines[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2017, 33(10): 239-244. (in Chinese with English abstract)

[10] Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins. Wind Energy Handbook[M]. New York: A John Wiley and Sons, Ltd., Publication England, 2011

[11] 廖明夫，宋文萍，王四季. 风力机设计理论与结构动力学[M]. 西安：西北工业大学出版社，2014

[12] International Electro technical Commission. Wind turbines generator systems-part 1: Safety requirements, IEC61400-1.[S]. Geneva: International Electro technical Commission, 2019.

[13] Vera-Tudela L, Kuhn M. Analysing wind turbine fatigue load prediction: The impact of wind farm flow conditions[J]. Renewable Energy, 2017, 107: 352-360.

[14] Siyu Tao, Qingshan Xu. Integrated wind farm power curve and power curve distribution unction considering the wake Effect and Terrain Gradient[J]. Energies, 2019, 12: 2482.

[15] 何伟. 湍流风场模拟与风力发电机组载荷特性研究[D]. 保定：华北电力大学，2013.

He Wei. Research on Turbulent Wind Field Simulation and Load Characteristics of Wind Turbines[D]. Baoding: North China Electric Power University, 2013. (in Chinese with English abstract)

[16] 李晶，宋家骅，王伟胜. 大型变速恒频风力发电机组建模与仿真[J]. 中国电机工程学报，2004，24(6)：100-105.

Li Jing, Song Jiahua, Wang Weisheng. Modeling and dynamic simulation of variable speed wind turbine with large capacity[J]. Proceedings of the CSEE, 2004, 24(6): 100-105. (in Chinese with English abstract)

[17] 林勇刚，李伟，叶杭冶，等. 变速恒频风力机组变桨距控制系统[J]. 农业机械学报，2004，35(4)：110-114.

Lin Yonggang, Li Wei, Ye Hangye, et al. Pitchcontrolled system of a variable-speed and constant-frequency wind turbine[J]. Transactions of The Chinese Society for Agricultural Machinery, 2004, 35(4): 110-114. (in Chinese with English abstract)

[18] 叶杭冶. 风力发电机组的控制技术[M]. 北京:机械工业出版社，2002

[19] 贺德馨. 风工程与工业空气动力学[M]. 北京:国防工业出版社，2006

[20] 李尚远，甘德强，栾某德. 一种基于功率谱密度的发电机机械功率扰动源定位方法[J]. 电网技术，2019，43(1)：236-243.

Li Shangyuan, Gan Deqiang, Luan Moude. A novel method for locating forced oscillation source in mechanical power based on power spectral density[J]. Power System Technology, 2019, 43(1): 236-243. (in Chinese with English abstract)

[21] International Electro technical Commission. Wind turbines generator systems-part 13: Conformity testing and certification, IEC61400-13[S]. Geneva: International Electro technical Commission, 2015.

Effects of turbulence intensity on dynamic characteristics and load of wind turbine

Wu Faming1,2, Yang Congxin1※,Wang Dian2, Yang Liu2

(1.,,730050,;2..,.,412000,)

In order to study the influence of turbulence intensity on the dynamic characteristics and aerodynamic load, simulation tests and experiments are carried out for a horizontal axis wind turbine with three blades whose rated power is 3.3MW. Furthermore, the power spectrum analysis of incoming wind speed and dominant load is carried out. Simulation tests are taken under the condition of four turbulence intensities of 0.10, 0.12, 0.14 and 0.16, whose results show that with the increase of turbulence intensity, the vibration acceleration, load and equivalent fatigue load of wind turbine nacelle change regularly. In order to verify the rationality of the simulation results, the data acquisition and analysis of a type-test wind turbine for more than one year were carried out. The main conclusions are as follows: 1) From the simulation results, with the increase of turbulence intensity, the vibration acceleration of wind turbine nacelle increases. When the turbulence intensity increases by 0.02, the acceleration increases by 10%. Besides, there is also a strong correlation between the side-to-side vibration and turbulence intensity where there is a peak point near the rated wind speed. The reason is that there is a switching process from torque control to pitch control, and there is a certain impact. 2) From the simulation results, with the increase of turbulence intensity, the key load and fatigue load of important components of wind turbine increase. When the turbulence intensity increases by 0.02, the equivalent fatigue loads of blade root MY, hub MY, tower top and tower bottom MY increase by nearly 10%. From the result of power spectrum analysis, the turbulence intensity has obvious influence on wind turbine, especially on MY load of blade, hub and tower top. 3) From the test results, the turbulence intensity is strongly related to the vibration and fatigue equivalent load of the wind turbine nacelle, and vibration and load of the unit also change regularly under the four different turbulence intensities of 0.06, 0.08, 0.10 and 0.12, which is in good agreement with the simulation results. From the above analysis, it can be seen that for areas with high turbulence intensity, the design load of wind turbine should be modified with appropriate coefficient in order to ensure the safety of fatigue life of wind turbine. Therefore, the bearing capacity of wind turbine components in high turbulence area should be strengthened. This provides a basis for the micro sitting of wind turbines in wind farms, and has a certain guiding significance for the design of wind turbines.

wind;power generation; dynamics; wind turbine; turbulence; aerodynamic load

巫发明，杨从新，王靛，等. 湍流强度对风电机组动力学特性及载荷的影响[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：48-55.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006 http://www.tcsae.org

Wu Faming, Yang Congxin, Wang Dian, et al. Effects of turbulence intensity on dynamic characteristics and load of wind turbine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 48-55. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006 http://www.tcsae.org

2020-01-06

2020-05-10

政府间国际科技创新合作重点专项（2017YFE0101900）；国家自然科学基金:（11262011）

巫发明，博士，高级工程师，主要从事空气动力学、风电机组设计与研究。Email：1wufaming@163.com

杨从新，教授，博士导师，主要从事空气动力学、流体机械的设计与研究。Email：ycxwind@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.13.006

TK83

A

1002-6819(2020)-13-0048-08