大型風電機組氣動計算相似模型構建*

王富文，熊 偉，鄧燕飛，劉衛東，張明明,，馬劍龍

大型風電機組氣動計算相似模型構建*

王富文1，熊 偉2,3，鄧燕飛2，劉衛東1，張明明2,?，馬劍龍3

（1.魯能新能源（集團）有限公司，北京 100020；2. 哈爾濱工業大學（深圳），廣東 深圳 518071； 3. 內蒙古工業大學，呼和浩特 010051）

受早期新能源產業技術發展制約，許多處于運營期后期的風電機組的各個部件出現不同程度的老化情況，運行狀況呈現逐年下降趨勢。此時需要對風電機組進行建模計算以進一步對其各部件進行分析。對風機進行建立模型時，通常會遇到機組設計參數缺失的現象，尤其是風電葉片的氣動外形部分。通過相似參考參數將風電機組氣動性能與葉片氣動布局相關聯，構建一種大型風電機組葉片氣動計算相似模型。與目標機組模型各項氣動參數對比發現，構建的相似機組模型在風能利用系數、氣動轉矩、氣動功率方面很好地反映了目標機組性能。

大型風電機組；風電葉片；氣動特性；氣動布局；相似模型

0 引 言

據統計，2025年中國將會有17個省市自治區內的風電機組滿服役期[1]；“十五五”期間將有超過32 600臺風電機組面臨退役，單機容量多為1 ～ 2 MW機型。隨著時間推移、經驗積累、技術不斷進步，對老舊風場進行技術改造將成為一個較好的選擇。對風電機組進行技術改造可促進風電產業老舊風電機組翻新升級，提高發電量，延長機組壽命，減少故障率，緩解老舊機組的退役處理難題，降低退役成本。

實際工程中，為科學、準確地對機組進行增效降載和零部件升級，通常需要對目標機組建模進行氣動性能方面的模擬計算。但在對機組進行建模時，通常會因部件廠家倒閉或部件設計參數保密等原因造成各部件參數缺失問題，尤其是風電葉片的氣動外形參數。對于此類獨特的問題，目前解決方法十分有限。王力雨等[2]基于相似準則理論，提出可以通過對已有型號機組葉片進行幾何等比縮放得到其他型號機組。但得到的新機組未考慮葉片氣動布局和機組控制策略方面的因素。如果通過這種方法進行構建相似模型，將會出現替代機組與目標機組在氣動性能和功率曲線上有較大差別的現象，替代機組模型并不能代表目標機組進行計算模擬分析。

針對上述工程實際問題，本文依據葉素動量理論（blade element momentum theory, BEMT），考慮風電機組控制系統、傳動系統的作用，將已有機組模型作為參照，目標機組的氣動特性作為相似目標，提出一套風電機組氣動性能相似構建方法。通過該方法可以將葉片作為“黑箱”，高效、快捷地建立合理的目標機組相似模型，通過相似模型可以計算得到與目標機組相似的氣動力和發電特性。最后通過工程實例對本方法進行實踐驗證。

1 風電機組相似構建方法

1.1 相似構建目標

1.1.1 相似目標參數選取

將式（4）代入式（1）中可得：

1.1.2 相似目標參數獲取

1.2 風電機組氣動預測

采用葉素動量理論[3]對風電機組性能進行預測計算，其基本假設為葉輪臨近圓環的氣流之間不發生徑向相互作用，將作用在風力機風輪上的力看作葉素環上翼型升阻力的積分。圖1為葉素環與葉素的作用力的示意圖，推力、轉矩、功率均可由葉素動量理論積分公式計算得到。

圖1 葉素環與葉素上的作用力

為精確預測風力機實際運行情況，除考慮風輪氣動性能外，還需要考慮實際機組的控制系統、傳動系統等因素的影響。因此，使用由美國可再生能源實驗室（National Renewable Energy Laboratory, NREL）開發的開源軟件Open FAST/AeroDyn[4]進行預測計算。

1.3 風電機組相似步驟

風電機組的氣動性能相似擬合需要考慮多個系統的作用，且各個系統之間是互相影響的，因此需要建立合適步驟來完成機組的相似擬合工作。建立的幾項主要步驟如下：①相似目標參數的獲取、處理；②機組模型控制與傳動等部分參數設定，主要包括機組齒輪箱傳動比、額定轉速、額定轉矩等；③根據目標機組葉片長度對參考葉片進行處理、相似構建；④通過對比目標機組與替代機組模型的功率、轉矩曲線判斷相似擬合工作是否符合預期。

2 風電機組葉片氣動相似構建

2.1 風電機組葉片氣動布局構建

圖2 弦長與扭角多項式表達效果

2.2 風電機組葉片氣動相似構建平臺

葉片部分的擬合變量較多，擬合變量與目標、約束之間呈非線性關系。如果人為對中間變量進行修改，經驗成分較大且效率較低。因此借助迭代法驅動設計變量以尋找最相近的結果，具體設計流程如圖3所示。整個過程包括參考葉片的選擇，相似目標、約束的設定；迭代算法驅動構建變量改變，修改風電機組葉片氣動布局；對風電機組氣動性能進行預測；判斷氣動特征是否符合預期。

圖3 相似構建流程圖

3 工程案例分析

3.1 甘肅某風電場3 MW風電機組相似構建

3.1.1 風電機組主要參數

表1 3MW-113型風電機組設計和運行參數

3.1.2 相似構建效果分析

圖4 替代機組風能利用系數（a）和推力系數（b）相似效果

圖5（a）為目標機組與替代機組風輪轉速的對比情況，轉速除在5 ～ 8 m/s有0.5 r/min偏差之外，在切入到切出風速之間的偏差幾乎可以忽略。

圖5（b、c）分別為替代機組的氣動轉矩和氣動功率的構建效果，轉矩最大相差0.02 MN?m左右，氣動功率在切入到切出風速范圍內均有較高的相似性，替代機組額定風速為10.8 m/s，與3MW-113型目標機組額定風速相差0.2 m/s。因此使用該替代機組作為3MW-113型目標機組的相似模型進行氣動轉矩與氣動功率的預測計算，有較大的可參照性。

圖5 替代機組風輪轉速（a）、氣動轉矩（b）、氣動功率（c）相似效果

4 結 論

根據葉素動量理論提出了一種大型風電機組氣動計算相似模型的相似構建方法，并對甘肅某風場3MW-113型風電機組進行了相似構建，結論如下：

（3）提出的相似構建方法在氣動方面有著較高的相似性，但忽略了風電機組葉片結構方面的因素。通過相似構建得到的風電機組葉片只能作為替代理論模型使用。

[1] 杜麗娟, 劉昊, 丁艷軍. 老舊風場更新和技改政策給后市場帶來的機會探討[C]//第八屆中國風電后市場交流合作大會論文集. 包頭: 中國農業機械工業協會風力機械分會, 中國可再生能源學會風能專業委員會, 2021: 4. DOI:10.26914/c.cnkihy.2021.009564.

[2] 王力雨, 楊飛. 相似準則在風電機組總體概念設計中的應用[J]. 上海大中型電機, 2012(4): 10-13. DOI: 10.3969/j.issn.1674-1811.2012.04.004.

[3] WILSON R E, LISSAMAN P B S, WALKER S N. Aerodynamic performance of wind turbines. Final report[R]. Corvallis: Oregon State University, 1976.

[4] JONKMAN J M, HAYMAN G J, JONKMAN B J, et al. AeroDyn v15 user’s guide and theory manual[R]. NREL Draft Report, 2015: 46.

Construction of Similar Model for Aerodynamic Calculation of Large Wind Turbine

WANG Fuwen1, XIONG Wei2,3, DENG Yanfei2, LIU Weidong1, ZHANG Mingming2,?, MA Jianlong3

(1. Luneng New Energy Group Co. Ltd., Beijing 100020, China; 2. Harbin Institute of Technology, Shenzhen 518071, Guangdong, China; 3. Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

Constrained by the early development of new energy industry technology, various components of wind turbines show varying degrees of aging, and their operating conditions show a declining trend year by year. It is necessary to model and calculate the wind turbines to analyze their various components further. However, when establishing a model for the wind turbine, the phenomenon of missing design parameters of the unit is usually encountered, especially the aerodynamic shape part of the wind turbine blade. In this work, a large-scale wind turbine blade aerodynamic similarity model was constructed by associating the wind turbine’s aerodynamic performance with the blade’s aerodynamic layout through similar reference parameters. By comparing the various aerodynamic parameters of the target unit model, it was found that the constructed similar unit model reflected the performance of the target unit well in terms of wind energy utilization coefficient, aerodynamic torque, and aerodynamic power.

large-scale wind turbine; wind turbine blades; aerodynamic characteristics; pneumatic layout; similar models

2095-560X（2023）06-0572-05

TK89

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2023.06.012

2023-02-03

2023-04-28

深圳市高等院校穩定支持計劃重點項目（GXWD20220817140906007）；中國綠發投資集團有限公司項目；哈爾濱工業大學（深圳）科研啟動項目；內蒙古自治區科級計劃項目（2021GG0436）

張明明，E-mail：mmzhang@hit.edu.cn

王富文, 熊偉, 鄧燕飛, 等. 大型風電機組氣動計算相似模型構建[J]. 新能源進展, 2023, 11(6): 572-576.

： WANG Fuwen, XIONG Wei, DENG Yanfei, et al. Construction of similar model for aerodynamic calculation of large wind turbine[J]. Advances in new and renewable energy, 2023, 11(6): 572-576.

王富文（1972-），男，高級工程師，主要從事新能源發電技術研究。

張明明（1974-），男，博士，教授，主要從事大型風電葉片、風電機組和風電場等創新風能利用基礎與應用研究。