风力发电机组的载荷特征及计算

风力发电机组极限载荷1. 引言风力发电机组是一种利用风能转化为电能的设备，由风轮、转轴、发电机、控制系统等组成。

在运行过程中，风力发电机组需要承受各种外部力的作用，其中极限载荷是指在特定条件下，风力发电机组所能承受的最大力。

本文将深入探讨风力发电机组极限载荷的相关内容，包括定义、影响因素、测试方法以及应用。

2. 极限载荷的定义极限载荷是指在特定条件下，风力发电机组所能承受的最大力。

这个力可能是来自风的冲击、地震、雷击等外部因素，也可能是由于机械故障、材料疲劳等内部因素引起的。

风力发电机组的极限载荷需要满足相关国际标准和规范的要求，以确保其安全可靠地运行。

3. 影响因素风力发电机组的极限载荷受多种因素影响，主要包括以下几个方面：3.1 风速风速是影响风力发电机组极限载荷的重要因素之一。

当风速超过一定阈值时，风力对风轮的冲击力将增大，进而对整个机组产生较大的载荷。

3.2 风向风向也是影响风力发电机组极限载荷的因素之一。

当风向发生变化时，风力对风轮的作用力也会发生变化，从而对机组产生不同的载荷。

3.3 地震地震是一种可能对风力发电机组产生较大载荷的自然灾害。

地震引起的地面震动会传导到机组上，对其结构和材料产生影响，从而使机组承受更大的载荷。

3.4 机械故障机械故障是导致风力发电机组承受极限载荷的内部因素之一。

例如，风轮叶片断裂、转轴断裂等故障都会导致机组承受较大的载荷。

4. 测试方法为了确保风力发电机组的安全可靠运行，需要对其极限载荷进行测试。

常用的测试方法主要包括以下几种：4.1 静态测试静态测试是通过施加静态载荷来测试风力发电机组的极限载荷。

这种测试方法主要用于检测机组在静止状态下的承载能力。

4.2 动态测试动态测试是通过模拟风力对风力发电机组的作用来测试其极限载荷。

这种测试方法可以模拟不同风速、风向和风力的情况，对机组进行全面的载荷测试。

4.3 模拟测试模拟测试是通过计算机模拟的方法来测试风力发电机组的极限载荷。

科技资讯2015 NO.29SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程35科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 在对风力机发电机组(以下简称机组或风力机)特别是塔架的设计过程中,为了对机组塔架及其它零部件进行静力学、动力学、疲劳强度研究,保证机组在其设计寿命期内的可靠性,需要对机组在各种工况下运行时所受到的载荷进行计算研究[1]。

载荷计算是风力发电机组设计最重要的环节,决定了机组的设计质量[2-6]。

风力机运行在多种工况下,其零部件受载十分复杂,对如此具有多种受载情况的机组进行设计分析,保证结果的准确性和设计计算的高效性是工程师面对的重要问题。

1 风力发电机组受力分析风力发电机组工作时,叶片受风载作用,将风能转化为机械能,它是风力机最主要的受载零部件。

作用在叶轮上的力和力矩有风载(即空气动力,最为复杂)、惯性力和自身的结构力。

由于风力机工况复杂恶劣,风中夹杂着湍流。

阵风来袭,在不足1s内风速突变幅度可达数十m/s;当机组发生紧急故障而停车时,以上两种情况会给风力机带来非常大的瞬态载荷。

叶片随着风向的变化依靠偏航装置转动方向,又随着风速的变化依靠变桨装置改变角度,这样交变的动载荷就作用在了机组上,图1为风力机受载分析图。

图中,分别为来风作用在叶片上的顶部风速、平均风速和底部风速,为来风产生的水平空气推力,为处于旋转状态的叶片产生的扭矩,G为叶片和轮毂的重力、风力机的顶舱对机组塔架产生的弯矩。

在研究机组零部件受力时,既要计算上述风速、风向、叶片转速和桨距变化情况,又要计算剪切影响、尾流影响、塔影影响、陀螺影响。

进行静力学计算时要考虑风力机的谐振、屈曲稳定性等动力学特性。

而自上而下的垂直方向风速变化梯度、塔影影响、随机影响、阵风影响、紊流对叶片旋转圆周范围内形成的不同风速的影响也要考虑到机组的疲劳强度计算中去。

2 作用在风力发电机组上的载荷及其来源风力发电机组工作在各种工况下受载复杂,总的来说机组受力包括两部分:第一部分为周期作用力,第二部分为随机作用力。

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2风轮气动载荷............................................... 错误!未定义书签。

2.1动量理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.1.1不考虑风轮后尾流旋转 .................................................................. 错误!未定义书签。

2.1.2考虑风轮后尾流旋转...................................................................... 错误!未定义书签。

2.2叶素理论.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.3动量──叶素理论.................................................................................. 错误!未定义书签。

2.4叶片梢部损失和根部损失修正 .............................................................. 错误!未定义书签。

2.5塔影效果.................................................................................................. 错误!未定义书签。

2.6偏斜气流修正.......................................................................................... 错误!未定义书签。

风力发电场风荷载分析风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式，在世界范围内得到了广泛的应用和发展。

然而，风力发电场面临着许多挑战，其中之一就是风荷载。

正确的风荷载分析对于风力发电场的设计、安全运行和维护至关重要。

本文将对风力发电场风荷载进行详细的分析和讨论。

一、风荷载简介风荷载是指风力对建筑物、结构物或装置所产生的力或压力。

风荷载的大小取决于风力的强度、方向和持续时间。

对于风力发电场来说，风荷载是一种主要的外部负荷，直接影响着风力发电机组的安全和稳定运行。

因此，风荷载的准确分析对于风力发电场的规划和建设至关重要。

二、风场的风力特性风荷载的分析需要首先了解该地区的风力特性，这包括风速的统计分布、风向的变化规律等。

通常情况下，可以通过观测历史气象数据来获得该地区的风力特性。

在风力发电场规划和设计过程中，需要考虑当地的风力资源情况，选择适合的风力机型和布局形式。

三、风荷载计算方法风荷载的计算是基于风力的动力学原理，并结合了结构特点和设计要求。

常用的风荷载计算方法有两种：平均风速法和峰值风速法。

1. 平均风速法平均风速法是一种经验方法，通过观测或估算该地区的平均风速，并根据建筑物或结构物的高度和形状，确定其所受的平均风荷载。

这种方法适用于一些简单的结构，但对于高度较大、形状复杂的风力发电机组而言，不够准确。

2. 峰值风速法峰值风速法是一种基于峰值风速进行计算的方法。

通过观测或统计该地区的风速数据，找出最大值，然后根据风力发电机组的参数对其进行校正，得到相应的风荷载。

这种方法更加精确，适用于复杂的风力发电场。

四、风荷载分析案例为了更好地理解风荷载的分析过程，下面以某风力发电场项目为例进行详细分析。

该风力发电场位于海边，常年受到强风的影响。

我们首先对该地区的风速数据进行统计分析，得出年平均风速为8m/s，最大风速为25m/s。

根据风力发电机组的技术参数，我们计算出相应的风荷载。

根据风荷载计算结果，我们对风力发电场的塔筒和叶片进行了强度校验，确保其具备足够的抗风能力。

风电机组载荷计算指标
风电机组载荷计算指标可以包括以下几个方面：
1. 功率载荷指标：包括平均功率载荷、峰值功率载荷、功率波动指标等。

平均功率载荷指标可以衡量风电机组在一段时间内的平均负荷水平，峰值功率载荷可以衡量风电机组在最大负荷条件下的承载能力，功率波动指标可以衡量风电机组在工作过程中的功率变化情况。

2. 轮毂载荷指标：包括轮毂挥舞角、轮毂转矩、轮毂测力计等。

轮毂挥舞角可以描述风电机组叶片在运行过程中的振动情况，轮毂转矩可以衡量叶片受到的转矩作用，轮毂测力计可以测量风电机组轮毂的受力情况。

3. 塔筒载荷指标：包括塔筒振动、塔筒转矩、塔筒测力计等。

塔筒振动可以描述风电机组塔筒在运行过程中的振动情况，塔筒转矩可以衡量塔筒受到的转矩作用，塔筒测力计可以测量风电机组塔筒的受力情况。

4. 叶片载荷指标：包括叶片振动、叶片转矩、叶片测力计等。

叶片振动可以描述风电机组叶片在运行过程中的振动情况，叶片转矩可以衡量叶片受到的转矩作用，叶片测力计可以测量风电机组叶片的受力情况。

这些指标可以通过传感器和监测装置进行监测和测量，以提前发现风电机组载荷异常和故障，并采取相应的维修和保养措施，确保风电机组的安全和可靠运行。

风电载荷计算
风电载荷计算是指对风力发电机组在不同工作状态下所受到的风载荷进行分析和计算。

风电系统在工作过程中会受到来自风的水平和竖向载荷，这些载荷可能对组件和结构产生一定的影响。

风电载荷计算主要包括以下几个方面：
1. 风能资源评估：通过对风场进行测量和分析，确定不同位置和高度上的风速和风向分布情况，作为风电载荷计算的基础数据。

2. 风机负荷计算：根据风能资源评估结果，结合风机的设计参数和性能曲线，计算风机在不同风速下的受力情况，包括扭矩、转速、风轴力等。

3. 风塔负荷计算：风塔作为风机的支撑结构，承受着风机本体以及叶轮的重力和振动力。

风塔负荷计算应考虑到这些力的影响，以确保风塔的稳定性和安全性。

4. 叶片负荷计算：叶片是风机系统中最容易受到风载荷影响的部件，其受力情况直接影响到叶片的强度和可靠性。

叶片负荷计算需要考虑到风速、风向、叶片角度等因素，并结合叶片的结构特性进行分析。

5. 基础负荷计算：风机的基础承受着风机本体和风塔的重力，同时还要抵抗风场对风塔的推力。

基础负荷计算应该考虑到这
些力的影响，以确保基础的稳固和安全。

总之，风电载荷计算是风力发电系统设计的重要环节，通过合理的计算和分析可以评估风电系统的受力情况，为系统的设计和运行提供可靠的依据。

风力发电机组极限载荷风力发电机组是利用风能转化为电能的装置，其设计和制造必须考虑到极限载荷。

极限载荷是指风力发电机组所能承受的最大外力或压力，也是保证其安全运行的重要指标。

风力发电机组在运行过程中会受到风力的作用，风力的大小和方向直接影响到发电机组的负荷。

当风速较小时，发电机组所受的载荷较小，但随着风速的增加，载荷也会随之增加。

当风速超过发电机组的承载能力时，就会发生极限载荷的情况。

风力发电机组的极限载荷与其结构和材料的强度有关。

发电机组通常由塔筒、叶轮、发电机等部分组成，每个部分都需要经受一定的载荷才能正常运行。

因此，在设计和制造发电机组时，必须考虑到各个部分的强度和稳定性，以确保其能够承受风力的压力。

风力发电机组的极限载荷还与其安装环境和使用条件有关。

发电机组通常安装在海上或高山等风力资源丰富的地区，而这些地区的风力较强，所以发电机组需要能够承受较大的载荷。

同时，发电机组在使用过程中可能会遭受到风暴、地震等自然灾害的影响，这也需要考虑到其极限载荷。

为了确保风力发电机组在极限载荷下能够安全运行，设计和制造时需要进行严格的测试和计算。

首先，需要对发电机组的各个部分进行强度和稳定性的测试，以确定其能够承受的最大载荷。

其次，需要进行风洞试验，模拟不同风速下发电机组的受力情况，以评估其在实际工作环境中的表现。

在实际运行中，风力发电机组还需要定期进行维护和检修，以确保其在使用过程中不会超过极限载荷。

对于发现的故障和损坏，需要及时修复或更换相关部件，以保证发电机组的正常运行和安全性。

总的来说，风力发电机组的极限载荷是保证其安全运行的重要指标。

设计和制造发电机组时，需要考虑到风力的大小和方向、结构和材料的强度、安装环境和使用条件等因素，以确保发电机组能够承受风力的压力。

此外，定期的维护和检修也是保证发电机组安全运行的关键。

通过严格的测试和计算，可以确保风力发电机组在极限载荷下的正常运行，为清洁能源的开发和利用做出贡献。

风力发电机组的功率控制及载荷分析风力发电机组的功率控制及载荷分析引言：风力发电作为清洁能源的重要组成部分，已经在全球范围内得到了广泛应用。

风力发电机组的功率控制和载荷分析，对于提高风力发电的效率、可靠性和经济性具有重要意义。

本文将对风力发电机组的功率控制方法以及载荷分析进行详细阐述，并探讨其对风力发电产业的影响。

一、风力发电机组的功率控制1.1 无功功率控制无功功率是风力发电机组运行中的重要参数之一。

通过控制电网侧的无功功率，可以提高风力发电机组的功率因数，减少无功功率对电网的影响。

常用的控制方法包括无功功率优化控制和无功功率调频控制。

无功功率优化控制是根据电网的无功功率需求，通过调整风力发电机组的输出功率来实现。

该方法能够提高风力发电机组的功率因数，降低无功功率损耗，同时满足电网对无功功率的要求。

无功功率调频控制是根据风力发电机组的转速、电网频率和负荷需求等参数进行调控。

通过调节风力发电机组的桨叶角度、变桨速度等，控制风力发电机组的功率输出，实现电网对无功功率的要求。

1.2 有功功率控制有功功率控制主要是根据电网的需求，控制风力发电机组的输出功率。

常用的控制方法包括协调控制、最大功率跟踪控制和限功率控制。

协调控制是根据电网的负荷需求和电力系统的稳定性要求，通过调节风力发电机组的转速、桨叶角度和发电机的励磁电流等参数，实现风力发电机组的有功功率控制。

最大功率跟踪控制是指通过调节风力发电机组的桨叶角度，使得风力发电机组的输出功率达到最大值。

该控制方法能够提高风力发电机组的利用率，提高发电效率。

限功率控制是为了保护风力发电机组的安全运行，避免过载等问题。

通过提前设置风力发电机组的最大功率输出值，当风力发电机组的输出功率达到设定值时，控制系统会自动减小风力发电机组的输出功率。

二、风力发电机组的载荷分析2.1 风力负荷分析风力负荷是指风力发电机组在风力作用下承受的载荷，主要包括风载荷和惯性载荷。

风载荷是由于风力的作用而导致的，其大小和方向主要受到风速、风向等因素的影响。

第6章 结构荷载本项目分析内容包括结构的强度和屈曲分析、单工况动力分析和动力耦合分析。

因此，结构分析荷载分为静荷载和动荷载。

静荷载包括风机运转荷载、风、浪、流和冰荷载；动荷载包括风机运转荷载、风、浪、流、冰和地震荷载。

6.1 强度与屈曲分析荷载 6.1.1 风机运行荷载风力发电机组运行时，其叶片上的风荷载和风机偏航引起的荷载通过结构和传动机构作用在塔架顶端，因此，DnV 规范规定，海上风电机组基础结构设计应考虑风电机组的荷载。

这部分荷载包括：风轮上的静风压引起的荷载、湍流和尾流引起的荷载、风力发电机偏航引起的荷载和风力发电机组的重力荷载等。

中华人民共和国机械工业部标准（JB/T10300-2001）对风力发电机组的荷载计算做出了具体的规定： 6.1.1.1 正常运行荷载1、风轮上的气动荷载 (1) 作用在风轮上的平均压力作用在风轮扫掠面积A 上的平均压力H p 由下式计算：2H FB 12r p C V ρ=（6.1.1） 式中：C FB =8/9；ρ——空气密度； V r ——额定风速。

代入系数值并经量纲转换后得：2H 1800r V p =（kN/m 2） （6.1.2）式中：V r 的量纲为m/s 。

(2) 作用在塔架顶部的力为：XH H F p A = （6.1.3）(3) 湍流、风斜流和塔尾流的影响利用气动力距风轮中心的偏心距e w 来考虑湍流以及风斜流和塔尾流的影响：22w rwR e V = （6.1.4） 式中：R ——风轮半径；w ——任一方向风的极端风梯度，取w =0.25m sm或风速梯度的1.5 倍（二值中取较小值）。

由于此偏心距而产生最大附加力矩为：YH H w M p Ae = （6.1.5）或ZH H w M p Ae = （6.1.6）(4) 扭矩XH M 由最大输出功率P e1 确定：e1XH P M ωη=（6.1.7）式中：ω——风轮转动角速度；η——发电机和增速器的总效率系数。

风力机载荷风力机载荷情况风力机载荷是风力机设计和风力机认证时的重要依据，用于对风力机进行静强度和疲劳强度分析。

目前，国际上有很多规范、标准对风力机载荷做了详细的规定。

其中应用最广的是IEC61400-1标准。

1.载荷分类作用在风力机上的载荷主要包括：（1）空气动力载荷；（2）重力载荷；（3）惯性载荷，包括离心力和科氏力等；（4）操纵载荷；（5）其他载荷，如结冰载荷根据载荷的性质，在风力机上的载荷可分为静载荷、定常载荷、周期载荷、瞬态载荷、脉冲载荷、随机载荷和谐振载荷等。

2.载荷情况由不同的外部条件与风力机工作状态组合而成，主要包括：①正常外部条件与风力机正常工作状态组合；②正常外部条件与风力机故障工作状态组合；③极端外部条件与风力机正常工作状态组合。

根据IEC61400-1标准的规定，载荷情况如表5-1所列。

表5—1载荷情况3.安全系数风力机设计时，需要提供的是设计载荷F d ，它和实际载荷F r 的关系是：d f r F r F =， 式中r f ——载荷局部安全系数 见表5-2所示：表5—2 载荷局部安全系数风力载荷计算 风力机载荷特性 1.叶片上的载荷 （1）空气动力载荷作用在叶片上的包括摆振方向的剪力Q yb 和弯矩M xb 、挥舞方向的剪力Q xb 和弯矩M yb以及变桨距时，与变桨距力矩平衡的叶片俯仰力矩M zb 。

叶片上的空气动力载荷可根据2.2节中的动量——叶素理论计算，计算时先求出轴向诱导因子a 和周向诱导因子b ，再求得叶素上的气流速度三角形以及作用在叶素上的法向力dF n 和切向力dF t （前图 2—1），然后通过积分求出作用在叶片上的空气动力载荷Q xb ，Q yb ，M xb 和M yb 。

图2-1叶素上的气流速度三角形和空气动力分量0R2xb 0n r 1Q V cC dr 2ρ=ò0R2yb 0t r 1Q V cC dr 2ρ=òR2yb 0n r 1M V cC rdr 2ρ=òR2yb 0t r 1M V cC rdr 2ρ=ò式中R ——风轮半径； r 0——轮毂半径。

风载荷计算标准一、风速确定在进行风载荷计算时，首先需要确定建筑或结构物所在地的平均风速。

风速应根据气象站或气象雷达的观测数据进行确定，同时还应考虑风速的平均变化率和极端风速的影响。

根据不同建筑或结构物的特点，可以采用风洞实验方法对风速进行测量和模拟。

二、风载系数计算风载系数是风载荷与基本风压的比值，基本风压是指距地面10米高度处，统计所得的50年一遇的最大风速压力。

根据建筑或结构物的迎风面形状、尺寸和高度等特征，以及风速和风向的变化情况，可以通过风载系数计算出建筑或结构物所受到的风载荷。

三、风载压力分布根据风载系数计算出的风载荷，需要按照一定的方式分布到建筑或结构物的各个面上。

一般情况下，风载压力沿建筑物高度方向分布呈梯形，根据风载压力分布函数和建筑或结构物的形状、尺寸等参数，可以计算出各个面上的风载压力。

四、结构抗风设计在进行建筑或结构物的抗风设计时，需要综合考虑建筑或结构物的刚度、强度、稳定性等因素。

在设计中应尽量避免共振效应，同时还应考虑风速变化对结构受力的影响。

根据结构形式和受力特点，可以采用不同的抗风措施，如增加支撑、改变形状、增加重量等。

五、风振分析风振是指建筑或结构物在风的作用下产生的振动现象。

在进行建筑或结构物的设计时，需要进行风振分析，以确定建筑或结构物的自振频率和阻尼比等参数。

通过对风振进行分析，可以预测出建筑或结构物在各种风速下的振动响应，从而采取相应的措施进行抗风设计。

六、疲劳强度评估由于风载具有随机性和不稳定性，长时间的作用下可能会对建筑或结构物造成疲劳损伤。

因此需要对建筑或结构物进行疲劳强度评估，以确定其抗疲劳性能。

在评估中需要考虑风载作用下的应力变化和应力集中等因素，同时还应考虑材料和结构的特性。

根据评估结果可以采用相应的措施进行加固和维护等处理。

七、风洞实验在进行建筑或结构物的抗风设计时，可以进行风洞实验以确定其气动性能和稳定性等方面的性能。

在实验中可以在不同的风速和角度下对模型进行测量和分析，同时还可以观察和分析建筑或结构物的涡旋脱落和振动响应等情况。