赵明武 蔡晓峰 高伟 胡明清
（沈阳华创风能有限公司 辽宁沈阳 110000）
摘要：外部载荷变化是导致风力发电机传动系统部件疲劳破坏的直接原因，因此，近年来研究时变外载下风电传动系统的动态特性得到了越来越多的关注。本文首先对变风速进行了模拟，然后计算了变风速下风轮叶片载荷，最后探讨了变风速条件下风力发电机输入载荷的影响因素。
关键词：变风速；风力发电机；输入载荷；风轮叶片
一、变风速的模拟
自然风是风电传动系统输入端的决定因素，因此模拟风速使其尽可能接近自然风特性，对风电传动系统动态 特性研究的准确性具有重要意义。大量实测记录表明，风速可看作平均风速和脉动风速两部分组成。
（一）平均风速
大气边界层内平均风速的变化常用对数或指数函数来表达，分别如下：
指数律比对数律计算简便，且两者差别不明显，因此选用指数律函数描述平均风速。
（二）AR脉动时程
当前，国内外对风速时程进行数值模拟的主要方法有谐波叠加法和线性滤波法。线性滤波法计算速度快，且可考虑时间相关性，近年来得到广泛的应用。常用的线性滤波法有AR自回归模型、MA滑动平均模型及ARMA自回归滑动平均模型。大量文献研究认为，阶数对于结果的影响很小，因此本文选用AR模型模拟脉动风速时程。
M个点空间相关脉动风速时程的AR模型表示：某时刻风速等于之前各时刻风速的线性组合加上一个独立随机过程向量。
根据目前现有对脉动风速时程的模拟进行描述的文献可知，模拟脉动风速的关键在于自谱密度函数的选取。脉动风速功率谱主要反映脉动风中各种频率成分对应的能量分布规律，按是否考虑湍流积分尺度随高度的变化分两大类：一类是
不考虑湍流积分尺度随高度的变化如Daven－port谱、Harris谱，另一类是考虑湍流积分尺度随高度的变化，如Kaimal谱、von Karman谱。由于 ＭＷ 级风电发电机的轮毂比较高，因此本文采用考虑随高度变化影响的脉动风速功率谱von Karman谱，其表达式如下：
式中：F、M、P分别是风力发电机传动系输入轴的推力、扭矩和功率；V1为短时时间间隔内的恒定风速。
变风速条件下风力发电机输入载荷的影响因素
（一）桨距角对载荷的影响
风力发电机的载荷受到了包括风速、叶片桨距角、叶片攻角和叶片扭转角等参数的影响，这里在其他参数不变的情况下讨论叶片桨距角对推力载荷和扭矩载荷的影响。
在桨距角的变化范围内（0°～45°），每改变一个桨距角计算叶片相应的载荷时程 最后得到若干个载荷随桨距角变化的时间历程。
桨距角在0°、3°、5°、10°时，随着桨距角的增大，推力和扭矩都变小， 但各自载荷波动幅值的变化规律却不相同。
随着桨距角的增大，推力的波动幅值先变大然后再变小，在桨距角为3°时推力的波动幅值达到最大值；扭矩的波动幅值则随桨距角的增大单调减小。
（二）叶片的几何参数对载荷的影响
这里主要考虑叶片的攻角和扭转角对载荷的影响。在保持叶片其他参数不变的情况下，分别单独改变叶片的扭转角和攻角，计算叶片的载荷时程。叶片扭转角减小时推力和扭矩都增大，但扭矩的变化量较小；推力和扭矩的波动幅值随扭转角变化不大。攻角对推力影响较大，对扭矩影响较小。当攻角减小时，推力增大且其波动幅值减小；当攻角减小时扭矩变小但变化不大，且波动幅值变化也较小。
参考文献
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[2]邹磊，贾涛，宁新宇，秦鹏，徐星. 低风速风力发电机轮毂强度与疲劳寿命分析[J]. 可再生能源. 2011(05)
论文作者:赵明武,蔡晓峰,高伟,胡明清
论文发表刊物:《电力设备》2016年第8期
论文发表时间:2016/7/15
标签：风速论文; 载荷论文; 叶片论文; 推力论文; 扭矩论文; 风力发电机论文; 平均论文; 《电力设备》2016年第8期论文;