风电机组尾流与疲劳载荷关系分析

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1、第33卷第10期农业工程学报Vol.33No.102017年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMay2017239风电机组尾流与疲劳载荷关系分析邓英，李嘉楠，刘河生，庞辉庆，田德（华北电力大学可再生能源学院，北京102206）摘要：为了研究风电机组尾流对下游风电机组载荷的影响，假设了几个重要尾流参数：上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强度等。采用Bladed软件和Matlab幅频程序，分别对1.5与3.0MW双馈式风电机组进行各参数与载荷响

2、应的关系计算。结果表明：风轮处风速会随着推力系数的增大非线性减小；风电机组处于尾流影响范围内时，在风速和推力系数相同的条件下，通常湍流强度受尾流影响后减小使载荷增大，但当推力系数对载荷的影响起主导作用时，虽然湍流强度受尾流影响后减小但载荷会增大；当风速大于额定风速时，应采用变桨控制减小推力系数，以减小风电机组的疲劳损伤。关键词：风电机组；计算机仿真；模型；间距；推力系数；风速；尾流；疲劳载荷doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031中图分类号：TK83文献标志码：A文章编号：1002-6819

3、(2017)-10-0239-06邓英，李嘉楠，刘河生，庞辉庆，田德.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.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031http://www.tcsae.orgDengYing,LiJianan,LiuHesheng,PangHuiqing,TianDe.Analysisonrelationshipbetweenwakeandfatigueloadofwindturbines[J].Transactionsof

4、theChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2017,33(10):239－244.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.10.031http://www.tcsae.org并且，随着风速差异、受力差异的扩大，风电机组不同0引言受力部件之间产生的疲劳载荷的响应的差异性也突显出随着风力发电技术的发展，超大型风电机组的发电[14]来。因此，必须进一步地研究尾

5、流效应对机组的影响。容量迅速扩大，意味着更高的塔架设计和更长的叶片设尾流模型是描述风力机尾流结构的数学模型，用于计算计。叶片的加长，使得扫风面积增大，尾流区也随之增风力机尾流区域的速度分布和风电场中处在尾流区的风大；同时，塔架的增高，使得尾流效应的性质更加复杂。[15]力机的功率输出。现有的对风电机组尾流模拟的研究已有研究表明，对于大型风电机组，尾流效应的作用是先后经过了不考虑湍流的一维线性尾流模型、二维轴对不能忽视的，它对风机的承载部件的疲劳载荷的增大有[16]称涡旋粘性尾流模型和基于三维CFD的尾流模型。着重要影响，并且对风电机

6、组输出功率特性也有显著影[17]本文以Thomsen等对尾流的研究为基础，分别建[1-4]响。立1.5与3MW风电机组模型，通过控制变量的方法，以许多科学家对尾流效应等进行了研究，Alfredsson上下游风电机组间距、上游风电机组推力系数、湍流强[5]等最早通过风洞试验研究尾流效应，揭示尾流对风力机度的输入分别作为变量，在特定疲劳载荷工况下进行模出力的影响。Hand等通过显示试验对风力机叶片近远场拟计算，将对下游风电机组各部件载荷数据进行模拟分[6-7]尾流结构做出详细分析。风场测试中，最著名的单台析，得到不同尾流参数对下游风电机

7、组载荷的影响。[8-9]风力机实测是Tjaereborg、Nibe和Sexbieram测试；著1基本理论名的集群实测是HornsRev，Nysted，MiddleGrunden，[10-11]Vindeby，EWTW等测试。他们建立了一些考虑尾流1.1基础尾流定理[12]效应的模型，并且与实际试验风场的实测数据相匹配。风电机组尾迹是扩张的。由质量守恒方程（1）以及但是，当时的试验风场的塔架高度较低，风电机组容量、式（2），可得式（3）及式（4）。扫风面积、风电场规模较小，其尾流效应对机组的影响πππRV222RVRV（1）11T

8、22也比较简单。因此，现有研究普遍采用的方法都是用单VVaT1(1)一的“等效设计湍流强度”这个参量来代替所有的尾流（2）[13]VV21(12)a效应。这种传统方法随着风电机组的不断增高增大，风电场的规模剧增的形势下，