风机带冰运行载荷安全性分析

风机带冰运行载荷安全性分析

程乐

(国家电投集团广西兴安风电有限公司广西桂林541300)

摘要：通过对1.5MW风机叶片结冰模型进行气动性能的修正，得到不同结冰程度下叶片结冰的叶片模型，再通过该设计软件进行载荷分析计算，得出了正常状态以及不同结冰状态下机组关键载荷点的载荷关系，给在一定风速下，风机可以带冰运行提供了数据参考。

关键词：风机；叶片；载荷；结冰

0引言

为解决风机在轻度凝冰时，可以在一定的功率曲线范围内进行发电，需对风机运行载荷的安全性进行校正。本文通过对1.5MW风机叶片结冰模型进行气动性能的修正，得到不同结冰程度下叶片结冰的叶片模型，再通过该设计软件进行载荷分析计算，得出了正常状态以及不同结冰状态下机组关键载荷点的载荷关系，给在一定风速下，风机可以带冰运行提供了数据参考。

1风机载荷测试系统概述

1.1系统构成

机组叶片载荷测试具有在线监测的功能，不仅实时采集和监控机组叶根载荷数据，还可实现结冰检测系统输出信号和温湿度信号的接入。

机组载荷测试系统主要包含：机舱主采集系统、轮毂采集系统、主控输出系统、结冰检测系统及温湿度仪、信号采集软件及载荷分析软件。原理图如图1所示。

图1测试系统原理图

1.2数据采集方式及处理

数据采集方式是指：采样频率、数据存储要求、数据格式等信息，对于不同参数可能有不同采样频率。

主要参数如叶片载荷、叶根载荷、风速、输出功率、叶轮转速、桨距角、偏航角、叶轮方位角等采用50Hz的采样频率；

次要参数如风速，风向、电网连接等可以采用较低的采样频率如1Hz；

数据保存方式，采用10分钟数据包形式；

数据格式采用根据不同量可采用不同长度的浮点型数据，初步计划数据长度为带小数点为七位，小数点后保留三位有效数字；

所有数据通道同步采集，对于测量及计算的数据应保证其有效性，如对测量得到的叶根载荷应进行检查，消除错误的记录，只有确认有效的数据方可用于后续的分析和计算。

测试系统的程序可实现数据验证功能，并可提供数据的查询、修改，以便于进一步验证数据的有效性。一般来说，那些不满足传感器标定、传感器运行范围及噪音等判据的数据都要剔除，尤其是在非正常的环境条件，例如结冰条件下机组运行的数据是本次测试的主要部分。

在测量过程中第一步应对测量的时间序列结果进行验证，并以符合规定的或较高的抽样率下的原始数据记录为基础。定期检查时间序列数据，保证实验结果的高质量和可重复性。应以测量、计算数值的全部统计结果为基础，对数据进行第二步验证。对数据进行常规检查，以便找出那些可能未被检测出的异常情况。

2结冰运行载荷仿真分析

通过对1.5MW叶片结冰模型进行气动性能的修正，得到不同结冰程度下叶片结冰的Bladed模型，再通过该设计软件进行载荷分析计算。

翼型气动性能修正，以下以相对厚度25%的叶尖区域翼型为例，在0~90度攻角范围内对升力系数和阻力系数进行修正。

结冰性能修正的特点为：结冰后升力系数降低、阻力系数增加，升阻比降低，并且失速攻角提前，翼型容易失速。

因此在我们的机组结冰安全保护模式中可以通过限制结冰运行状态下的风速来保证机组结冰运行的载荷水平是在正常机组设计范围内。

3结冰运行实测载荷

通过在某风电场机组上安装的结冰及载荷测试平台对实测结冰及载荷数据进行分析，出了平均风速在9m/s左右的条件下，机组叶片发生的结冰运行工况，通过各种传感器采集到的风速、功率、转速、叶片根部不同方向的实测载荷、结冰程度及环境温度等数据。

egdewise载荷的幅值对叶片的疲劳强度影响比较大，所以从以上叶片实测根部egdewise方向的载荷对比可以看出，在相同的9m/s平均风速条件下，结冰运行、正常运行和设计载荷的幅值基本上均为1600Knm，因此，egdewise方向的载荷基本一致，没有增加。

flapwise载荷的最大值对叶片的极限强度影响比较大，所以从以上叶片实测根部flapwise方向的载荷对比可以看出，在相同的9m/s平均风速条件下，结冰运行载荷均小于正常运行及设计载荷。因此以上结冰工况下结冰运行的载荷是安全。

因此，通过以上9m/s平均风速结冰工况下的实测载荷分析，机组结冰运行的载荷是安全的，并且和仿真载荷趋势一致，但是实测载荷的数据还是不够充分，需要更高风速的下的数据验证，并且通过这种验证还可以不断拓展结冰安全运行限制条件，减小结冰发电量的损失。

4总结

通过以上结冰安全保护模式在现场结冰运行的数据分析，可以看出对于某些结冰比较严重的现场（例如甘肃张家川风电场），使用V2.2版结冰程序与之前V0版程序相比，单台机组结冰主动发电运行的平均年发电量提高应该在50000kWh,那么对于全年发电量的提高会达到1.5%左右，同时经过理论仿真及现场实测的载荷数据分析，目前我们确定的限制条件内机组载荷是安全的。

参考文献:

[1]周玉俊.兆瓦级风力机组载荷计算及整机动力学的分析研究.新疆.新疆大学研究生.2015.

程乐（1986-），工程师，主要研究方向为风力发电技术。从事专业：风力发电技术的研究。