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风电场湍流强度对风电机组的影响分析 0 环境和环境条件的影响 由于可净能源的概念，它受到了世界各国的高度重视。 湍流强度对现有大型风电机组的载荷计算的影响需要深入探讨。为保证风电机组的安全性和长期稳定可靠运行, 风电机组的设计需要考虑运行环境和电力环境的影响, 这些影响主要体现在载荷、寿命和正常工作等几个方面。环境条件可分为正常外部条件和极端外部条件, 其中正常外部条件涉及长期疲劳载荷和运行状态, 而极端外部条件 (如湍流工况等) 出现机会很少, 但它是潜在的临界外部设计条件。在不同湍流强度下, 风电机组载荷的设计应作相应的调整。 有不少学者对如何减小风电机组的载荷, 提高风电机组性能进行了相关的研究, 但针对湍流强度对风电机组载荷和性能的影响的研究还很少见 本文分析湍流强度对大型风电机组的影响, 以变速变桨控制的1 650 k W风电机组为例, 进行了仿真计算, 对比分析了湍流强度特征值I 1 风电场的强度 湍流对风电机组性能和寿命有直接影响, 因此湍流强度是风电场选址的重要指标之一。当湍流强度大时, 会减少输出功率, 增加风电机组的疲劳载荷, 还可能引起极端荷载, 最终造成风电机组损坏。 1.1 大气湍流的运动特性 IEC61400-1风电机组安全等级标准引出了风场湍流强度这一重要参数。湍流强度是描述风速随时间和空间变化的程度, 反映脉动风速的相对强度, 是描述大气湍流运动特性的最重要的特征量。湍流强度定义为脉动风速均方根值与平均风速之比, 即: 式中:u, v, w——分别为纵向、横向和竖向3个正交方向上的瞬时风速分量;u′, v′, w′——分别为对应的3个正交方向上的脉动风速分量;V——风速。 3个正交方向上的瞬时风速分量的湍流强度分别定义为: 湍流强度与离地高度和地表面粗糙度有关, 也受地貌特征的影响, 如高地、山脉以及位于上风向的树和建筑物等。 1.2 风模型 IEC61400-1标准给出了正常湍流模型, 其纵向风速分量标准偏差为: 式中:I 与标准偏差σ 1.2.1 风轮直径及紊流度参数 标准等级的风电机组轮毂高度处的重现周期为N年的极限阵风风速幅值V 式中:D——风轮直径 (m) ;β=4.8 (N=1时) , β=6.4 (N=50时) ;——紊流度参数 (m) 。 式中:z 此时, 极端运行阵风风速为:式中:T——阵风持续时间, T=10.5 s (N=1时) , T=14.0 s 1.2.2 极端方向变化模型edc 重现期为N年时, 极端风向的变化幅值θ 这时, 极端风向的瞬态变化θ 式中:T——阵风持续时间, 为6.0 s。 1.2.3 周期为50年的极端风公式 瞬时垂直风切变和瞬时水平风切变的重现周期为50年的极端风公式为: 式中:α=0.2;β=6.4;T=12 s;y——水平方向长度, z——垂直方向高度。 1.2.4 风流模型ntm IEC61400-1标准给出纵向的湍流强度为: 1.3 等效疲劳载荷 风电机组的寿命主要是受疲劳载荷影响, 等效疲劳载荷作为恒频正弦载荷的振幅, 它代表与原始载荷历程一样的疲劳损伤。等效疲劳载荷S 式中:S 2 纵向湍流强度 以1 650 k W变速变桨型风电机组为例进行计算分析, 该机组的主要参数如下: 风轮直径83 m空气密度1.225 kg/m 不同湍流下极端风向的变化幅值θ 不同湍流情况下纵向湍流强度比值为: 将算例的各参数代入以上3个关系式可得到不同湍流强度情况下风模型值 (表1) 。 由表1计算结果可明显看出, 在不同湍流强度下, 各种风模型的关键值都有相应的变化, 随着湍流强度的增加, 风模型的关键值都随之增加。 3 极限载荷和疲劳载荷 机组承受的极限载荷和疲劳载荷影响到风电机组的寿命, 而极限载荷和疲劳载荷又受湍流的影响。因此本文主要分析不同湍流强度下机组的载荷变化和性能。 3.1 流强度的影响 为了分析湍流强度对极限载荷的影响, 按照标准要求对风电机组的极限载荷进行全面计算, 风电机组的主要极限载荷受湍流强度影响情况如表2所示。 从表2可看出, 湍流强度对风电机组的极限载荷的影响很明显, 对塔基M 同时, 湍流强度的变化对叶片叶根的载荷也有影响。随着湍流的增加, 其叶根M 由表2看出, 轮毂的最大载荷没有变化, 主要原因是此时最大载荷出现在极限方向变化工况, 从IEC61400-1标准可知, 极限方向变化工况与湍流强度变化没有关系。 3.2 湍流强度影响的主要载荷 按IEC61400-1标准给出的风况, 用在不同湍流强度的额定风速下的湍流风来计算风电机组的等效疲劳载荷, 湍流强度影响的主要载荷见表3~表5。 由表3~表5可明显看出, 随着湍流强度的增加, 各部件的等效疲劳也增加: (1) 从表3不同湍流强度塔基等效疲劳载荷M (2) 从表4