海上风力发电机组基础设计.doc
廖丹
【摘 要】基于海上风电机组，本文主要分析介绍了海上和陆地风力发电机组工况上的区别，并依据海上风力发电机组的设计工况和模型分析方法，用Bladed软件进行海上风电机组的载荷计算，并与相应的陆上机组载荷进行了简单对比。
【关键词】海上风电机组；海上机组设计工况；载荷计算
0 概述
海上风力发电机组开发时，前期主要针对海上风资源研究（基本原理，风数据/坐标数据获取，模型方法，发电量，损失因素和不确定因素，预测），最重要的是对海上风载和浪载（载荷来源，工况与模型，浪载（疲劳和极限载荷）的分析和评估，之后再利用Bladed软件进行风波联合载荷等海上风电特殊载荷的计算。
1 陆上风力发电机组设计载荷工況[1]
陆上风力发电机组设计载荷工况包含以下八大类工况（DLC）：
（1）发电工况（1.1～1.9）：风机模型应考虑风轮不平衡、风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制、最佳运行工况实际同理论的偏差。在计算中应假设各种情况的最不利组合，如风向改变与典型偏航角度误差组合与电气接头损坏组合，应包含由大气湍流引起的载荷要求。1.3和1.6～1.9规定了作为风力发电机组寿命评定的可能临界事件的瞬态情况。在DLC1.4和1.5中，考虑了由于外部故障和电气接头损坏引起的瞬变事件。
（2）发电和产生故障（2.1～2.3）：假设控制和保护系统的任何故障，或电气系统的内部故障（如发电机短路）在发电期间发生。其中2.1，控制系统故障属正常事件。2.2，保护系统或内部电气系统故障为罕见事件。如果某一故障没引起立刻停机，随后的载荷可导致结构产生明显疲劳损伤，则应在2.3中定义这种工况持续的时间。
（3）启动（3.l～3.3）：包括从静止或空转状态到发电这一过渡期间产生载荷的所有事件。
（4）正常关机（4.1～4.2）：包括从发电到静止或空转状态的正常过渡期间产生载荷的事件。
（5）应急关机（5.l）：由于应急关机引起的载荷。
（6）停机（静止或空转）（6.1～6.2）：停机后的风轮可能处于静止或空转状态，采用极端风况对其进行设计。如果某些零部件产生明显疲劳损伤（如空转叶片重量引起的），还应考虑在每个适当风速下所预期的不发电小时数以及电网损坏对停机后的风机影响.
（7）停机和故障状态（7.1）：如果风机正常特性变化是由任一非电网损坏故障引起时，应作为工况考核之列。故障状态应当同极端风速模型（EWM）及一年重复周期相组合。
（8）运输、组装、维护和修理（8.1）：该过程中，对风机产生的载荷，应考虑最大允许风况。
载荷计算应考虑以上设计载荷情况，也应考虑由风力发电机组自身（尾流诱导速度、塔影效应等）引起的空气流场扰动、三维气流对叶片气动特性的影响（如三维失速和叶尖气动损失）、非定常空气气动力学效应、结构动力学和振动模态的藕合、气动弹性效应。
2 海上风力发电机组设计的载荷工况
与陆上风电机组相同，海上风力发电机组也是正常载荷工况、极端载荷工况、特殊载荷工况及运输载荷工况，所不同之处在于，在陆地风机载荷工况基础上多加了海上特定的海波工况载荷[3]。
2.1 正常载荷工况
如表1定义如下：N1.0与陆上风机具有相同的定义，载荷等于海波载荷与风载荷之和；N1.1、N1.2、N 1.3、N1.4、N1.5为运行工况发生变化时，加上海波载荷突减的情况。N2.0正常启动时的风载荷加海波载荷的情况，N2.1阵风启动时，海波载荷突减的情况。特别是规定了机组正常运行温度发生变化时的海波载荷突减的工况。
2.2 极端载荷工况
海上风力发电机在极端的外部条件下运行的载荷工况，定义见表2。从表中的定义可知海上风机极端载荷工况等于所有的极端风况条件再加上极端海波工况。
2.3 特殊载荷工况
海上风力发电机在特殊的外部条件下运行的载荷工况，定义见表3。从表中的定义可见所有的陆地风机的特殊工况条件再加上特定的海波工况。
2.4 安装载荷工况
海上风力发电机在安装和运输的外部条件下的载荷工况，定义见表4，从表中的定义可见停机和静止工况条件再加上特定的海波工况或用户的定义。
3 载荷对比结果及结论
利用Bladed软件在设计界面增加波浪、潮汐等海上风机特有的载荷，如图1所示。并将海上机组载荷和相似类型陆上机组载荷部分部位极限载荷对比，从对比结果图2图3中可以发现海上载荷相对陆上载荷而言，会相对增加。
【参考文献】
[1]Engineering Sciences Data Unit （ESDU）： Wind Engineering， Vol. 1， London， 1994.
[2]American Petroleum Institute （API）： Recommended Practice for Design and Construction of Fixed Offshore，Platforms， PR 2A， Chapter 2.3.6： Earthquake， Washington， 1987.
[3]European Wind Turbine Standards， Load Spectra For Wind Turbine Design， JOULE II（JOU2-CT93-0387），Project results， European Commission EUR 16898 EN.
[责任编辑：朱丽娜]
