大型风电机组气动计算相似模型构建*

王富文，熊 伟，邓燕飞，刘卫东，张明明,，马剑龙

大型风电机组气动计算相似模型构建*

王富文1，熊 伟2,3，邓燕飞2，刘卫东1，张明明2,†，马剑龙3

（1.鲁能新能源（集团）有限公司，北京 100020；2. 哈尔滨工业大学（深圳），广东 深圳 518071； 3. 内蒙古工业大学，呼和浩特 010051）

受早期新能源产业技术发展制约，许多处于运营期后期的风电机组的各个部件出现不同程度的老化情况，运行状况呈现逐年下降趋势。此时需要对风电机组进行建模计算以进一步对其各部件进行分析。对风机进行建立模型时，通常会遇到机组设计参数缺失的现象，尤其是风电叶片的气动外形部分。通过相似参考参数将风电机组气动性能与叶片气动布局相关联，构建一种大型风电机组叶片气动计算相似模型。与目标机组模型各项气动参数对比发现，构建的相似机组模型在风能利用系数、气动转矩、气动功率方面很好地反映了目标机组性能。

大型风电机组；风电叶片；气动特性；气动布局；相似模型

0 引 言

据统计，2025年中国将会有17个省市自治区内的风电机组满服役期[1]；“十五五”期间将有超过32 600台风电机组面临退役，单机容量多为1 ～ 2 MW机型。随着时间推移、经验积累、技术不断进步，对老旧风场进行技术改造将成为一个较好的选择。对风电机组进行技术改造可促进风电产业老旧风电机组翻新升级，提高发电量，延长机组寿命，减少故障率，缓解老旧机组的退役处理难题，降低退役成本。

实际工程中，为科学、准确地对机组进行增效降载和零部件升级，通常需要对目标机组建模进行气动性能方面的模拟计算。但在对机组进行建模时，通常会因部件厂家倒闭或部件设计参数保密等原因造成各部件参数缺失问题，尤其是风电叶片的气动外形参数。对于此类独特的问题，目前解决方法十分有限。王力雨等[2]基于相似准则理论，提出可以通过对已有型号机组叶片进行几何等比缩放得到其他型号机组。但得到的新机组未考虑叶片气动布局和机组控制策略方面的因素。如果通过这种方法进行构建相似模型，将会出现替代机组与目标机组在气动性能和功率曲线上有较大差别的现象，替代机组模型并不能代表目标机组进行计算模拟分析。

针对上述工程实际问题，本文依据叶素动量理论（blade element momentum theory, BEMT），考虑风电机组控制系统、传动系统的作用，将已有机组模型作为参照，目标机组的气动特性作为相似目标，提出一套风电机组气动性能相似构建方法。通过该方法可以将叶片作为“黑箱”，高效、快捷地建立合理的目标机组相似模型，通过相似模型可以计算得到与目标机组相似的气动力和发电特性。最后通过工程实例对本方法进行实践验证。

1 风电机组相似构建方法

1.1 相似构建目标

1.1.1 相似目标参数选取

将式（4）代入式（1）中可得：

1.1.2 相似目标参数获取

1.2 风电机组气动预测

采用叶素动量理论[3]对风电机组性能进行预测计算，其基本假设为叶轮临近圆环的气流之间不发生径向相互作用，将作用在风力机风轮上的力看作叶素环上翼型升阻力的积分。图1为叶素环与叶素的作用力的示意图，推力、转矩、功率均可由叶素动量理论积分公式计算得到。

图1 叶素环与叶素上的作用力

为精确预测风力机实际运行情况，除考虑风轮气动性能外，还需要考虑实际机组的控制系统、传动系统等因素的影响。因此，使用由美国可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）开发的开源软件Open FAST/AeroDyn[4]进行预测计算。

1.3 风电机组相似步骤

风电机组的气动性能相似拟合需要考虑多个系统的作用，且各个系统之间是互相影响的，因此需要建立合适步骤来完成机组的相似拟合工作。建立的几项主要步骤如下：①相似目标参数的获取、处理；②机组模型控制与传动等部分参数设定，主要包括机组齿轮箱传动比、额定转速、额定转矩等；③根据目标机组叶片长度对参考叶片进行处理、相似构建；④通过对比目标机组与替代机组模型的功率、转矩曲线判断相似拟合工作是否符合预期。

2 风电机组叶片气动相似构建

2.1 风电机组叶片气动布局构建

图2 弦长与扭角多项式表达效果

2.2 风电机组叶片气动相似构建平台

叶片部分的拟合变量较多，拟合变量与目标、约束之间呈非线性关系。如果人为对中间变量进行修改，经验成分较大且效率较低。因此借助迭代法驱动设计变量以寻找最相近的结果，具体设计流程如图3所示。整个过程包括参考叶片的选择，相似目标、约束的设定；迭代算法驱动构建变量改变，修改风电机组叶片气动布局；对风电机组气动性能进行预测；判断气动特征是否符合预期。

图3 相似构建流程图

3 工程案例分析

3.1 甘肃某风电场3 MW风电机组相似构建

3.1.1 风电机组主要参数

表1 3MW-113型风电机组设计和运行参数

3.1.2 相似构建效果分析

图4 替代机组风能利用系数（a）和推力系数（b）相似效果

图5（a）为目标机组与替代机组风轮转速的对比情况，转速除在5 ～ 8 m/s有0.5 r/min偏差之外，在切入到切出风速之间的偏差几乎可以忽略。

图5（b、c）分别为替代机组的气动转矩和气动功率的构建效果，转矩最大相差0.02 MN∙m左右，气动功率在切入到切出风速范围内均有较高的相似性，替代机组额定风速为10.8 m/s，与3MW-113型目标机组额定风速相差0.2 m/s。因此使用该替代机组作为3MW-113型目标机组的相似模型进行气动转矩与气动功率的预测计算，有较大的可参照性。

图5 替代机组风轮转速（a）、气动转矩（b）、气动功率（c）相似效果

4 结 论

根据叶素动量理论提出了一种大型风电机组气动计算相似模型的相似构建方法，并对甘肃某风场3MW-113型风电机组进行了相似构建，结论如下：

（3）提出的相似构建方法在气动方面有着较高的相似性，但忽略了风电机组叶片结构方面的因素。通过相似构建得到的风电机组叶片只能作为替代理论模型使用。

[1] 杜丽娟, 刘昊, 丁艳军. 老旧风场更新和技改政策给后市场带来的机会探讨[C]//第八届中国风电后市场交流合作大会论文集. 包头: 中国农业机械工业协会风力机械分会, 中国可再生能源学会风能专业委员会, 2021: 4. DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.009564.

[2] 王力雨, 杨飞. 相似准则在风电机组总体概念设计中的应用[J]. 上海大中型电机, 2012(4): 10-13. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1811.2012.04.004.

[3] WILSON R E, LISSAMAN P B S, WALKER S N. Aerodynamic performance of wind turbines. Final report[R]. Corvallis: Oregon State University, 1976.

[4] JONKMAN J M, HAYMAN G J, JONKMAN B J, et al. AeroDyn v15 user’s guide and theory manual[R]. NREL Draft Report, 2015: 46.

Construction of Similar Model for Aerodynamic Calculation of Large Wind Turbine

WANG Fuwen1, XIONG Wei2,3, DENG Yanfei2, LIU Weidong1, ZHANG Mingming2,†, MA Jianlong3

(1. Luneng New Energy Group Co. Ltd., Beijing 100020, China; 2. Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518071, Guangdong, China; 3. Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

Constrained by the early development of new energy industry technology, various components of wind turbines show varying degrees of aging, and their operating conditions show a declining trend year by year. It is necessary to model and calculate the wind turbines to analyze their various components further. However, when establishing a model for the wind turbine, the phenomenon of missing design parameters of the unit is usually encountered, especially the aerodynamic shape part of the wind turbine blade. In this work, a large-scale wind turbine blade aerodynamic similarity model was constructed by associating the wind turbine’s aerodynamic performance with the blade’s aerodynamic layout through similar reference parameters. By comparing the various aerodynamic parameters of the target unit model, it was found that the constructed similar unit model reflected the performance of the target unit well in terms of wind energy utilization coefficient, aerodynamic torque, and aerodynamic power.

large-scale wind turbine; wind turbine blades; aerodynamic characteristics; pneumatic layout; similar models

2095-560X（2023）06-0572-05

TK89

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.012

2023-02-03

2023-04-28

深圳市高等院校稳定支持计划重点项目（GXWD20220817140906007）；中国绿发投资集团有限公司项目；哈尔滨工业大学（深圳）科研启动项目；内蒙古自治区科级计划项目（2021GG0436）

张明明，E-mail：mmzhang@hit.edu.cn

王富文, 熊伟, 邓燕飞, 等. 大型风电机组气动计算相似模型构建[J]. 新能源进展, 2023, 11(6): 572-576.

： WANG Fuwen, XIONG Wei, DENG Yanfei, et al. Construction of similar model for aerodynamic calculation of large wind turbine[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 572-576.

王富文（1972-），男，高级工程师，主要从事新能源发电技术研究。

张明明（1974-），男，博士，教授，主要从事大型风电叶片、风电机组和风电场等创新风能利用基础与应用研究。