风电机组载荷验证方法

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摘要：风电机组设计载荷通常用仿真的方法得到。仿真结果能否真实反映风电机组的实际运行状态，决定了风电机组的设计是否可靠及经济。通过载荷验证，将仿真的结果与测试结果对比，可以对仿真程序及模型进行修改，从而得到更真实的仿真结果，指导设计。本文将仿真数据与测试数据进行对比，提出了详细的方法和步骤。

关键词：风电机组；载荷验证；仿真；测试

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1674-9219（2014）01-0102-05

The Method of Wind Turbine Load Validation

Zhao Mengli， Wang Siyi

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

Abstract： Te simulation load is usually used as design load of wind turbine. Whether the design is reliable and economical depends on how accurate the simulation data is. We can get the guidance of how to improve the simulation tools and models through comparing simulation data with testing data via load validation. Tis paper puts forward some detailed methods and steps on how to carry out the load validation.

Keywords： wind turbine； load validation； simulation； testing

0 引言

风电机组在设计时必须考虑所有可能遇到的环境及状态，而将实际测量的风电机组在运行寿命内（20年）的载荷作为设计载荷是不现实的。故通常采用的方法是，通过仿真程序，模拟风电机组在20年设计寿命中可能遇到的各种工况，并以此推算出极限载荷与疲劳载荷，作为风电机组的设计载荷。所以，仿真程序的可靠性以及仿真模型的准确性，决定了风电机组的设计是否可靠及经济。载荷验证正是用来满足这一需求。

IEC标准中的设计要求（ 61400-1）[1]和载荷测量（61400-13）[2]是整个载荷验证过程的基础依据。 不过，这两个标准都只从各自的角度描述了各自关注的内容，对于如何将二者联系起来进行比对并没有明确的说明。本文针对如何利用现场测试数据验证仿真载荷给出了具有实际操作性的指导。

1 载荷验证介绍

在设计初期阶段，需要定义风电机组工作的环境条件，这是所有载荷仿真的基础。然而，进行载荷测试的场地环境条件通常没有设计时考虑的那么严酷。这就使得在合理的时间段内获得足够多的测量数据，从而获得可信度较高的统计数据，重现风电机组设计载荷变得非常困难。因此，在大多数情况下，载荷验证的主要目的是验证载荷仿真所使用的模型和程序。在验证过程中，需要使用测试现场的环境条件作为输入，使用和计算设计载荷相同的程序和模型，做一系列设计载荷工况之外的仿真。如果仿真结果和测试数据具有较好的一致性，那么就可认为所使用的模型和程序是正确的，用这一模型和程序可以在不同的环境条件下得到足够精确的结果，从而预测出的设计条件下的载荷也是可信的。

IEC 61400-13[2]中列出的相关物理量的仿真时间序列和测试时间序列是载荷验证过程的基础。因此，首先要关注这两组数据的一致性。

载荷验证的结果很大程度上取决于测试方法、设计过程中的假设以及所使用的方法和工具。因此，并不存在普遍适用的验证过程。但是，本文对一些非常重要的环境参数以及风电机组的特性进行了描述，并简要总结了主要的验证步骤。

2 环境条件验证

IEC61400-1[1]将风电机组分为不同的运行状态，定义了设计载荷工况（DLC）。在IEC61400-13[2]中，测试数据也按照相似的外部条件分为了不同的测试载荷工况（MLC）。因此，载荷验证过程的第一步就是环境参数的一致性检查，如风速（分布）、湍流强度、空气密度、风剪切等。

2.1 风速和湍流强度

测风塔或风电机组机舱上测得的风速应能代表风轮或风电机组实际接收到的风速。为了保证这个要求，需要遵循IEC 61400-12[3]及-13[2]的规定：

（1）风速仪标定；

（2）使用底部安装的传感器，确保测风塔对传感器的干扰最小；

（3）测风塔距离被测风电机组2倍-4倍风轮直径；

（4）测风塔的位置需确保到达测风塔和风电机组的风况条件是相同的。

平均风速和湍流强度是风电机组主要载荷的源头。因此，仿真时必须建立和现场测试条件相同的平均风速和湍流强度。这两个参数也是将数据分类最重要的参数。

仿真中用到的湍流模型一般由稳态平均风速叠加均值为0的脉动风速形成，而实际测量的风速时间序列有可能会存在趋势变化。为了避免过高地估计湍流强度，首先需要对出现趋势变化的风速时间序列进行去趋势化处理。

2.1.1 随机风场

数值仿真中，风电机组被放置在事先生成的三维风场中，风场用平均风速和湍流强度来定义。风场中的风速一般按正弦脉动。功率谱密度函数用来定义合适的振幅和频率。此外，相邻节点的风速由相干函数来表示。

假定风场内的功率谱密度及相干性和位置与时间相关。这使得仅从单一测量地点和有限的测量数据中得到与设计载荷相关的普适性的结论变得非常困难。

此外，风场内不同位置的相关性很难得到，绝大多数的测试并不会竖立若干个测风塔以提供不同空间位置的风速数据，以供做这样的分析。

因此，仿真模型和程序的验证通常使用测量获得的湍流度较低的数据，从而降低湍流风场的不精确性带来的影响。所以，数值仿真中用到的风场通常不便于评估，而是非常依赖于规范中定义的密度和相干函数。

2.1.2 空气密度

仿真中用的空气密度必须合理。空气密度取决于测试现场条件，因此建议用风场特定的空气密度重新进行仿真。如果测试现场的空气密度变化比较大（如季节变化），需要按不同的密度对测试载荷数据进行分类。

根据IEC 61400-1[1]，通常载荷仿真使用的空气密度是1.225 kg/m3。

2.1.3 风廓线

如今的大型风电机组风轮直径已经超过了100米，风廓线的影响变得越来越大。根据IEC 61400-1[1]，常用的风廓线由指数律给出：

V（z）=Vhub（z/zhub）α， with α=0.2

为了验证风廓线，应该分别测量Zhub处和Zhub-rotor radius处的风速，依此计算得到测试地点的风廓线指数，并作为仿真的输入参数。

3 风电机组特性曲线验证

特性曲线描述风电机组在统计层面的运行特性。风电机组运行特性用重要运行参数的10分钟平均值来表述，如输出电功率，风轮转速，发电机转速，桨距角，以及风电机组载荷，如推力，扭矩等。一般来说，这些参数都与平均湍流强度有关，因此首先要对测量数据按照湍流强度进行分类。

风电机组的功率特性是指在给定时间间隔内风轮所能转化的机械能或电能。显然，风电机组转化的能量越多，系统所要承受的载荷也会越大。功率曲线，Cp-λ曲线，推力系数曲线，功率系数曲线由叶片气动特性、控制算法、桨距角设置及风轮转速决定。可通过调整仿真模型中的这些参数，来获得与测试风电机组一致的特性曲线。

因此，在考虑不同运行状态的实际载荷之前，应当首先通过调整仿真模型获得与测试风电机组相同的特性曲线。至少需要考虑以下曲线的一致性：

（1）功率曲线 及Cp-λ曲线；

（2）功率-转速曲线；

（3）推力系数曲线。

4 载荷和运行参数验证

4.1 统计参数的比较

根据IEC 61400-13[2]，风电机组的载荷特性应该用以下方式描述：

（1）载荷统计值（即平均、最大、最小值相对风速的散点图，最小-最大载荷差，标准偏差，10分钟时间序列等效载荷）；

（2）时间序列。

载荷验证中必须考虑这两种载荷特性。重要的运行参数，如转速，功率输出，桨距角等也都需要进行比较。

4.2 载荷量时间序列比较

测试和仿真的10分钟时间序列应进行以下比较：

（1）直观比较；

（2）统计参数比较，如最小值，最大值，标准偏差。

5 风电机组动态行为验证

风电机组的动态行为取决于气动、结构和控制特性。即使风电机组模型在稳态参数上能获得与测试很好的一致性，动态特性也很难验证。

仿真程序一般是通过模态分析法，利用质量和刚度参数计算出系统和特定部件的固有频率。对塔架的固有频率来说，基础刚度有很大的影响。而基础刚度取决于安装地点的土壤参数，不同的地方是不一样的，必须根据现场参

数重新调整仿真模型。

可通过调整风电机组模型的结构阻尼、气动阻尼、叶片固有频率、驱动链固有频率、塔架固有频率等参数来提高风电机组动态特性的准确性。

不同运行状态的时间序列应在时域和频域中进行评估。如果可能，需要特别关注某些动态测试，以分析固有频率及停机或阶跃激励（如偏航启动，并网）所造成的部件振动的衰减率。同时，如果测试的数据足够，建议进行振型分析。

测试和仿真得到的系统固有频率应汇总到一张表中进行对比，并展示在坎贝尔图中。

6 疲劳载荷验证

根据IEC 61400-13[2]，为了体现疲劳载荷的特性，应选择一系列仿真和测试时间序列。疲劳载荷分析中用到的风速分布应按照韦布尔分布中的尺度参数A和形状因子k生成。疲劳分析的年限应为20年。启动，停机，空转等时间不包含在20年中。建议用两种不同的湍流强度来进行疲劳分析，每一种湍流强度在所考虑的风速范围内保持恒定。选择的风速范围内应保证有足够数量的测试数据，满足IEC 61400-13[2]中的要求（正常运行捕获矩阵）。

测试和仿真的时间相对20年运行寿命都是有限的，因此，对每一个载荷量，在进行疲劳统计时，需要用到放大系数。该系数用下式计算：

每一个风速段内的雨流统计累加构成20年总的运行时间内的雨流统计，以此得到的风电机组的疲劳载荷通过比较测试数据和仿真数据来验证。主要验证以下几项：

（1）雨流分布（RFC）；

（2）载荷持续分布（LDD）；

（3）1Hz等效疲劳载荷分析。

7 载荷验证过程的主要步骤

前面提过，验证气动模型和仿真程序的输入信息来源于两套数据。一套是测试数据，并按环境条件进行分类；另一套是按相同分类所做的仿真数据。利用这些数据，经过一系列的验证，判断仿真模型和实际风电机组之间是否有较好的一致性。如果一致性较好，那么通过这一模型和仿真程序预测出的极限载荷和疲劳载荷具有较高的可信度，以此为基础设计出的风电机组具有较高的安全性和经济性。这些步骤和方法示例及每一步的主要目的汇总在表1中。

建议在模型验证时使用较低和中等的湍流强度，以减少分析中的不确定性。

8 总结

本文对如何利用现场测试载荷数据对仿真载荷进行验证给出具有可操作性的指导。一般来说，验证过程需要使用具有代表性的测试数据，以避免具有某种偶然性。因此，测试地点和测试系统的选择需要非常慎重。

另一个需要注意的是，如何评价测试载荷与仿真载荷的对比结果。在实际操作中，对比结果的评估往往依赖于个人主观判断，并没有定量的标准。因此，要形成统一的定量的评判准则，还需要大量的数据及经验的积累。

参考文献

[1] International Electrotechnical Commission， Wind turbine generator Systems -Part 1： Safety requirements[S]， Second edition， 1999-02.

[2] International Electrotechnical Commission， Wind turbine generator Systems -Part 13： Measurement of mechanical loads[S]， First edition， 2001-06.

[3] International Electrotechnical Commission， Wind turbines - Part 12-1： Power performance measurements of electricity producing wind turbines， Ed.1， 2005-08.

收稿日期：2013-11-27。

作者简介：

赵蒙莉（1980-），女，宁夏银川人，硕士，中级工程师，主要从事风电机组设计开发工作。

王思铱（1982-）男，上海人，硕士，中级工程师，主要从事风电机组设计开发工作。