基于不同类型塔架的兆瓦级风力发电机组载荷对比分析研究

摘要

风力发电机组的载荷计算是保证风力发电机组安全运行的必要前提条件，随着风电开发逐渐向低风速、大风剪切区域的发展，风力发电机组的设计需要更大的叶轮，更高的塔架，高塔架机组的载荷安全成为必须关注的焦点。对相同功率不同塔架机组的差异分析对于找准风力机组载荷控制点、分析比较载荷安全余量具有重要的理论参考作用及工程作用。对2MW的90m传统塔架风力发电机组，120m柔塔风力发电机组和120m混塔风力发电机组进行了对比分析研究，可为后期的风电机组性能优化，风力机选型等提供一定的参数对比参考。本文所进行的主要工作及研究结果如下： 

（1）对三个风电机组从叶片、转子、轮毂、塔架、传动链、发电机、控制系统等各个部分进行了数字建模，得到完整可计算的风力机模型，同时，对正常风况与极端风况进行了仿真模拟，得到不同风种子。 

（2）对三台机组的稳态特性，包括稳态发电量功率、功率系数、推力、推力系数及扭矩和扭矩系数进行了详细的计算分析，结果表明三台机组的稳态满发发电量均满足要求，同时，基于机组的稳态特性，详细分析了机组的运行控制策略，分析了风电机组由切入风速到额定风速，机组叶片转速，电机转速、电机扭矩、轴向推力等参数的变化情况，分析机组通过变桨距调节以达到机组恒功率控制的过程。 

（3）设置正常发电工况、发电工况兼故障、停机、空转、维护等情况下所需要考虑的全工况风速、偏航误差等参数并进行全工况计算，对比分析了三种类型风力发电机组全工况极限载荷。以传统90m钢塔为基准，分析了同功率120m混塔、120m柔塔机组与传统钢塔的载荷差异性。综合对比结果显示，相同功率的输出条件下，柔塔叶根极限载荷最小，90m传统钢塔叶根极限载荷最大，而叶片根部载荷影响轮毂和变桨系统，因此，90m 钢塔的轮毂和变桨系统受载需着重考虑；柔塔机组旋转轮毂载荷最大，因此柔塔机组的轮毂及与齿轮箱之间的连接螺栓为需要重要控制的载荷点；另外，本文还分析了塔顶及塔底载荷，结果表明，传统塔架塔顶极限载荷最大而混塔最小，而塔底载荷对比结果显示混塔塔底载荷最大而传统塔架最小，这与塔架高度及塔筒材料都有着密不可分的关系。因此，不同机组的载荷控制点可由本文极限载荷对比分析得出。  

（4）对三个同功率不同塔架类型进行了疲劳载荷对比，其疲劳载荷对比结果显示，柔塔的叶根疲劳载荷最小，传统塔架轮毂疲劳载荷最小，由于混塔结构的特殊性，通过对比可看出混塔机组塔底的疲劳载荷最大，而传统塔架由于是纯钢塔架及高度优势塔底疲劳最小，柔塔机组塔顶的等效疲劳载荷明显低于其他两组机组。 

（5）通过各机组载荷对比分析数据，可得混塔机组、柔塔机组与传统塔架的载荷差异性均保持在5%以内。 

关键词：风力发电机组；载荷计算；载荷对比；极限载荷；疲劳载荷

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