海上与陆地风机发载荷工况的对比.doc

海上与陆地风机发电机组设计载荷工况的分析对比邓英温和旭姚兴佳衣传宝王建国 沈阳工业大学风能技术研究所110023沈阳辽宁摘要 文章从兆瓦级风力发电机的结构特点和应用范围角度上，给出了海上和陆地风力发电机组主要特点和区别，特别是较详细的给出了海上风力发电机组四种工况41个条件下的载荷工况，与陆地风力发电机组iec规定的载荷工况进行对比，得到机组设计中正常工况载荷、极端工况载荷、特殊工况载荷及安装运输工况载荷的主要特性，海上和陆上风机的载荷工况特点；特别是提出了设计中应当注意的几个问题，在进行技术设计时，首先是机组安全设计，然后是可靠性和使用寿命设计，最终达到海上风力发电机组可靠稳定运行。 1、概述 随着陆地风力发电技术的的日益成熟，陆地上的有限风能相继开发，人们又想到了海上丰富风能资源，考虑建设海上风电场。海上风电场的风速高于陆地风电场的风速，但海上风电场与电网联接的成本比陆地风电场要高。综合上述两个因素，海上风电场的成本和陆地风电场基本相同。 这样一股建设海上风电场的的热潮在世界范围掀起，海上风力发电机的组成为业内关注的焦点，它与陆地风力发电机组的区别主要体现在地基建设的难度高，机组各部件载荷比陆地机组强度大，安全设计采用特殊安全等级。从外部特征上表现在不同之处如下：（1）、电网连接 国外好多海上风电场电网没有直接并网，而是采用ac(交流输电线)方式并入该地区的输电系统。但有些风电场如瑞典、挪威和德国的其联网方式采用直流方式，输电方式采用高压直流输电。 （2）、敷设海底电缆海上风电场通过敷设海底电缆与主电网并联，为了降低捕鱼工具、锚等对海底电缆造成破坏的风险，海底电缆必须埋起来。如果底部条件允许，可用水冲海床(使用高压喷水)，然后使电缆置入海床而不是将电缆掘进或投入海床，这样做的方法最好。 （3）、联结电压对于120-150兆瓦容量的风电场与3033千伏的电压等级相联时，每个风电场中，会有一个30150千伏变电站的平台和相应的辅助设备。与大陆的联结采用150千伏电压等级。 （4）、远程监控 海上风电场远程监控要比陆地远程监控更重要一些，海上风电场的工作人员难于跑到现场观测机组，采用远程智能监控更利于运行管理。 （5）、定期检修 在天气条件比较恶劣的情况下，维修人员很难接近风机，风机得不到正常检修和维护，就会存在安全隐患。所以，确保海上风机高可靠性显得尤其重要。对于一些偏远的海上风电场，应合理设计风机的定期检修程序。 （6）、实验运行为了保证机组的可靠性，海上风力发电机组必须通过实验运行，来验证机组的可靠性。上述这些仅仅是海上风机外部的特点，海上风电机组设计载荷工况则完全体现了与陆地机组的运行环境的不同特点。2、陆地风力发电机组设计载荷工况 根据iec标准参考文献1，陆上风力发电机组的设计规定载荷工况条件分成几种情况，包括正常载荷工况、极端载荷工况、特殊载荷工况（停机和故障状态）及运输载荷工况。发电工况（dlc1.11.9）：风力发电机处于运行状态，并有电负载。设定设定的风力发电机组构形应考虑风轮不平衡的影响。在设计计算中应考虑风轮制造所规定的最大质量和气动不平衡限制此外，在运行载荷分析中，应考虑实际运行同理论上最佳运行工况的偏差，如偏航角度误系统跟踪误差。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（ dlci . 8 ) 与电气接头损坏组合（ dlci . 5 ）。设计载荷情况（ dlc1. 1 1 . 2 ）包含由大气湍流引起的载荷要求 dlc1 . 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。发电和产生故障（ dlc2 . 1 2 . 3 ) 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），对风力发电机组负载有明显影响，应假设它们在发电期间有可能发生。对于 dlc2 .1 ，控制系统出现的故障属正常事件。对于 dlc2 . 2 ，保护系统或内部电气系统出现的故障为罕见事件，如果某一故障没引起立刻停机和随后的负载可导致结构产生明显疲劳损伤， 则应在dlc2. 3中定义这种工况持续的事件。启动（ dlc3 . l3 .3 ）这种设计工况包括从任一静止位置或空转状态，到发电过渡期间对风力发电机组产生载荷的所有事件。正常关机（ dlc4.1 4.2 ）此设计工况包括从发电工况到静止或空转状态的正常过渡期间对风力发电机组产生载荷事件。应急关机（ dlcs . l ）由于应急关机引起的载荷。停机（静止或空转） ( dlc6.1 6 .2 ）停机后的风力机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（如由于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。电网损坏对停机后的风力机影响.停机和故障状态（ dlc7 . 1 ）当电网或风力发电机故障引起停机后的风力发电机组正常特性变化时，应要求对其进行分析，在停机工况中，如果风力发电机组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。运输、组装、维护和修理（ dlc8.1 ) 制造商应规定风力发电机组运输、组装、维护和修理所假定的所有风况和设计工况。如果它们对风力发电机系统产生显著载荷，则在设计中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。3、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5。3.1正常载荷工况如表一定义如下：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。表一海上风机与陆地风机正常载荷工况对比载 荷 工 况 海上风机 载荷工况 陆 地 风 机 载 荷 工 况 海上风机载荷工况的定义 正 常 载 荷 工 况 n1.0dlc1.11.2+基本发电状态下，以风速为 vref 和 vout时，及风速为vin和vout之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速。 n1.1dlc1.11.2+正常运行阵风时 ，突减的海波载荷。n1.2dlc 1.11.2+风向正常变化时，突减的海波载荷。n1.3dlc1.11.2+并网失败及/或载荷的损耗下，突减的海波载荷。n1.4dlc1.11.2+温度变化效应下，突减的海波载荷。 n1.5dlc1.11.2+出现1 年的极端海波时，突减的海波载荷。 n2.0dlc 3.1风速为 vin ， vref 和 vo时，在正常的外部条件下，基本启动过程状态下的载荷。假设海风的速度等于平均风速。 n2.1dlc 3.1+正常运行阵风的启动时 ，突减的海波载荷。n3.0dlc 4.1+风速为 vi ， vr 和 vo时，在正常的外部情况之下，基本停机工况状态下的载荷。假设海风的速度等于平均风速。 n3.1dlc1.11.2+正常运行阵风时 ，突减的海波载荷。 n4.0dlc 1.11.2风速达到vj时，在正常外部条件下，基本可承受的条件时的载荷。假设海风的速度等于平均风速。n4.1dlc 1.9+一年一度的阵风的出现时，突减的海波载荷。 n4.2dlc 1.8+风斜入射时，突减的海波载荷。 n4.3dlc1.11.2+温度变化效应下，突减的海波载荷。 n4.4dlc1.11.2+出现1 年的极端海波时，突减的海波载荷。 3.2、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，定义见表二。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。 表二、海上风机与陆地风机极端载荷工况对比载 荷 工 况 海上风机载荷工况 陆 上 风 机 载 荷 工 况 海上风机载荷工况的定义 极 端 载 荷 工 况 e1.0dlc1.11.2 基本发电状态下，以风速为 vr 和 vo时，及风速为 vi 和vo之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速 e1.1dlc 1.3 、1.71.9考虑到风向和偏航角极端变化下，极端阵风运行时的载荷。 e1.2dlc 1.3+ 、1.71.9+在转子的清扫区域极限风速倾斜下，突减的海波载荷。 e1.3dlc 6.1+来自于用户的极端影响下，突减的海波载荷。 e1.4dlc1.11.2+功率输出时中的冰载荷下，突减的海波载荷。 e1.5dlc 1.51.6额定平均风速极端海浪出现下，突减的海波载荷。 e1.650年一遇的海冰载荷。 e2.0dlc 1.6+承受50年一遇的风速时的基本状态的载荷，假定海洋状态在50年内是可以还原的。 e2.1dlc1.6+1.8+50年不遇的阵风及风向的急剧变化.并网失败将导致更多不利条件时的载荷.在横轴下，假设平均风向沿着owecs轴线.即,风斜入射时，突减的海波载荷。 e2.2dlc1.11.2+在50年不遇极端海波下，突减的阵风载荷。 e2.3dlc 1.3+冰负荷及风向的急剧变化下，突变的海波载荷。 e2.4dlc1.1-1.2+50年不遇的海冰载荷。 3.3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，定义见表三。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。 表三、海上风机特殊载荷工况载 荷 工 况 海上风机载荷工况 陆 上 风 机 载 荷 工 况 海上风机载荷工况的定义 特 殊 载 荷 工 况 s1.0dlc 1.11.2+ 基本发电状态下以风速为 vr 和 vo时，加上风速为 vi 和vo之间时，在正常的外部条件下在结构上所产生的最高载荷。假设海风的速度等于平均风速,海波高度为有效海波高度。 s1.1dlc 5.1紧急停车。 s1.2dlc 6.16.2电力系统内部故障。 s1.3dlc 2.22.1 控制系统的故障。 s1.4dlc 2.3安全系统及制动系统故障。 s1.5地震。 s2.0dlc1.11.9+7.1+基本状态:发生故障的状态及年平均风量，海风风速等于平均风速。 s2.1dlc 1.5+每年产生的阵风下，突减的海波载荷。 s2.2dlc-all出现极端海浪时，突减的阵风。 3.4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，定义见表四，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。 载 荷 工 况 海上风机载荷工况 陆 上 风 机 载 荷 工 况 海上风机载荷工况的定义 运输 安装 载荷工况 m1.0dlc 8.1+在制造商提供的最大平均风速或者是年风量的状态下安装及维护，如没有具体的风速,则海风速度等于平均风速。 m1.1dlc6.16.2+正常运行阵风或是年阵风发生时,如果将年风量视为基本状态应加上经过突减的海波载荷。 m1.2dlc6.16.2+在塔架检查确定由涡流分离引起的横向振动 m1.3dlc6.1-6.2+极端海波出现时，突减的阵风载荷。 m2dlc 8.1+运输和安装过程中的载荷。 4、海上和陆地风力发电机的结构设计应注意的问题 通过上述的分析对比：海上风力发电机的载荷工况受具体的外部条件和自身运行条件的共同影响，当进行机组结构设计计算时，载荷工况通常包括正常的外部条件和自身运行条件的共同影响，正常的外部条件和故障条件的共同影响，极端外部条件和自身运行条件的共同影响。外部条件和自身运行条件可以假设为能够独立的统计给出，由于极端的外部条件和故障条件的共同影响很少出现，故在设计时可忽略不计。设计时除重点考虑极端载荷工况e1.0、e1.1、e1.2、e2.0、e2.1和s1.1s1.4作设计计算输入外，还特别需要分析计算突减海波载荷对机组整体性能的影响。如温度对载荷工况的影响，文献6规定安全系数f选1.5，可见特定的海波工况，与陆地相比有极大的不同。尤其是机组的疲劳载荷，设计结构时应重点考虑，还应根据机组海波载荷变化引起的载荷突增和突减的情况，进行计算对比和设计对比，保证机组的可靠性及使用寿命基础上，寻求最优结构设计。参考文献： 1jb/t10300-2001风力发电机组设计要求风力机械标准汇编中国标准局出版社20062 engineering sciences data unit (esdu): wind engineering, vol. 1, london, 19943 american petroleum institute (api): recommended practice for design and construction of fixed offshore，platforms, pr 2a, chapter 2.3.6: earthquake, washington, 19874european wind turbine standards, load spectra for wind turbine design, joule ii (jou2-ct93-0387)，p