風電機組的案例
從風電機組的全生命周期研究碳纖維在風電的應用更有意義
而且目前條件好的地區多已經被占用，所以新建的風電機組多處于山區或海上，需要進行基礎建設，南京水利科學院和中南勘探設計院在某風電項目建設中，利用預應力拉擠板材對風電機組的基礎承臺進行加固，并取得了良好的效果。
此外，碳纖維復合材料的應用，使分段葉片連接處的結構設計難度大大下降。
3. 運維
為了保證風電機組的正常穩定和有效運行，并延長使用壽命，對機組的檢查、維護等工作是必不可少的。
風電機組是全年全天的運行，有的地區夜晚溫差，而一年四季的氣溫差別更大，在冬季高寒地區的溫度達到零下數十度，將會造成葉片表面結冰。葉片結冰將會改變葉片的氣動結構，同時結冰將使葉片重量增加，不僅改變發電效率還會危及風電機組的安全運行。另外，葉片運行的線速度很快，碎冰飛出去容易傷人。另外結冰太厚，機組需要停機進行除冰，將損失大量電能。而碳纖維除了輕量化，還有一個功能，就是在通電情況下，是良好的發熱體，熱轉換效率98%以上。所有利用風電機組本身產生的電，碳纖維通電后發熱，融冰除雪，是一個很好的選擇。
葉片在運行過程中，遠觀看起來轉動好像不是很快，實際上線速度最快可以達到數百公里以上，因此在迎風面葉片會受到很大的沖擊。另外葉片都是在野外風吹雨淋、熱脹冷縮，鹽霧腐蝕等都會造成葉片的損傷，當損傷超過一定的大小，就會影響葉片的正常運行，因此就要對葉片進行檢查。傳統的方法是停機，對葉片進行人工檢查。隨著機器人和無人機技術發展，可以利用碳纖維機器人和無人機對葉片展開檢查。
風電機組的使用壽命一般在20年左右，在這么長的時間內塔筒及礎臺等難免會損壞，特別海上或海邊的風電機組。而這個方法可以參考橋梁等碳纖維加固方式，利用碳布或預應力碳板的加固方案。
4. 報廢
當葉片完成其功能后，就需要拆解、報廢，對于其中的碳纖維復合材料，如何回收利用，也是一個必須考慮的問題。
展開 全耦合一體化的風電機組仿真分析技術研討會
風電行業持續發展要求制造商研制功率越來越大、可靠性和效率越來越高的風電設備，而制造高可靠性的風電機組是一個巨大的挑戰，因為風電機組是承受瞬變空氣動力激勵的大型柔性結構，這些動態力可能會導致機械故障，如齒輪、軸承以及其它部件的失效和相關的疲勞損傷。
LMS 公司將其40 多年的有限元軟件開發經驗、20 多年的柔性機械系統仿真經驗和10 多年的風電機組設計經驗集成在一起，獨創了Samcef Wind Turbines系統。軟件創新性地采用基于非線性有限元理論模擬柔性多體動力學系統、基于動量-葉素理論來表征空氣動力學并與控制系統相聯的全耦合、一體化方法，來構建包含部件柔性、非線性及部件之間（包含機電系統之間）相互作用的參數化高精度整機模型，從而充分考慮部件柔性、非線性及部件之間、機電系統之間的耦合作用。依靠全耦合一體化的參數化高精度整機模型，可以幫助風電機組廠商得到更加精確的動態載荷和結構響應，進而優化風電機組結構和控制系統設計，提高風電機組設計可靠性。
為推動風電機組高精度一體化仿真設計解決方案的應用，提升中國風電行業自主研發技術，中國風能協會與比利時LMS 公司將聯合主辦“2014 風電機組仿真與設計整體解決方案技術研討會”，將在2013 年研討會的基礎上，進一步分享LMS 在風電機組仿真分析方面的創新解決方案及工程項目經驗，并就如何提升風電機組可靠性方面進行交流。
展開 葉片不平衡導致風電機組振動
不平衡的問題嚴重或長期不處理，會影響風電機組可靠性，降低風電機組壽命。
通過仿真對比正常運行的和單支葉片質量不平衡的風電機組，可以得到風電機組各個部位的載荷普遍增大，比如偏航位置的傾覆力矩和偏航旋轉力矩成倍增加。
圖2 葉片質量不平衡對偏航處載荷影響
在圖2中，風電機組在恒定風速正常運行時，偏航中心風電機組的傾覆力矩穩定維持在800kNm左右，偏航旋轉扭矩在—400kNm左右；一支葉片質量不平衡后，風電機組在恒定風速下，傾覆力矩波動很大，極限載荷也明顯增加，偏航旋轉的扭矩也大范圍波動，對偏航減速器、偏航制動帶來較大的交變載荷沖擊。
3 影響發電量
葉片不平衡引起傳動鏈轉動方向振動，影響發電量的穩定。如果是葉片角度不平衡則影響葉片的功率吸收，從而影響發電量。某風電場風電機組安裝后，三支葉片角度不統一，經過一段時間運行發現問題并重新校準葉片。圖3為校準前后功率曲線的對比。
圖3 葉片角度不平衡對功率曲線的影響
引發葉片不平衡的原因
1 質量分布不均的葉片
葉片質量存在偏差主要是葉片出廠前質量控制不到位造成，正常葉片出廠前要進行嚴格的配平成套供應。
展開 論文精讀 兆瓦級風電機組的載荷計算與性能分析
文章以某3MW 變速變槳風電機組為對象，首先利用GH-Bladed 軟件對風電機組進行參數化建模，得到了風電機組各零部件的極限載荷和疲勞載荷。又基于 SWT 軟件，應用超單元和參數化部件構建高精度風電機組模型，由于風電機組振動特性與承載能力較為復雜，風電機組整體結構的模態分析和動態載荷計算是風電機組穩定運行的重要因素。故對風電機組整體結構進行模態分析，得到固有頻率、振型和動能與應變能分布，并在額定湍流風速下，分析了風電機組軸承和齒輪箱與底盤連接處的動態載荷。
兆瓦級風電機組的載荷計算與性能分析2015.zip
展開 
2014年4月3日全耦合一體化的風電機組仿真分析技術研討會
Date
03 Apr 2014
Event Type
Seminar
LMS Office
LMS China
Country
China
Place
北京
Participation fee
免費
風電行業持續發展要求制造商研制功率越來越大、可靠性和效率越來越高的風電設備，而制造高可靠性的風電機組是一個巨大的挑戰，因為風電機組是承受瞬變空氣動力激勵的大型柔性結構，這些動態力可能會導致機械故障，如齒輪、軸承以及其它部件的失效和相關的疲勞損傷。
LMS公司將其40 多年的有限元軟件開發經驗、20 多年的柔性機械系統仿真經驗和10 多年的風電機組設計經驗集成在一起，獨創了Samcef Wind Turbines系統。軟件創新性地采用基于非線性有限元理論模擬柔性多體動力學系統、基于動量-葉素理論來表征空氣動力學并與控制系統相聯的全耦合、一體化方法，來構建包含部件柔性、非線性及部件之間（包含機電系統之間）相互作用的參數化高精度整機模型，從而充分考慮部件柔性、非線性及部件之間、機電系統之間的耦合作用。依靠全耦合一體化的參數化高精度整機模型，可以幫助風電機組廠商得到更加精確的動態載荷和結構響應，進而優化風電機組結構和控制系統設計，提高風電機組設計可靠性。
為推動風電機組高精度一體化仿真設計解決方案的應用，提升中國風電行業自主研發技術，中國風能協會與比利時LMS 公司將聯合主辦“2014 風電機組仿真與設計整體解決方案技術研討會”，將在2013 年研討會的基礎上，進一步分享LMS 在風電機組仿真分析方面的創新解決方案及工程項目經驗，并就如何提升風電機組可靠性方面進行交流。
展開 論文精讀---基于SWT的風電機組整體結構模態與動態載荷分析
文章利用LMS SWT 風電機組仿真軟件，對風電機組輪轂主軸與風電機組底盤進行超單元建模，其他部件進行參數化建模，研究3MW 風電機組整機的模態與關鍵部件動態載荷。 SWT 中提供的參數化模型庫集成了當前主流機型中的各個模塊以便用戶調用和選擇，由系統級建模分析與部件級建模分析兩部分組成，但是在建模方面，對于復雜的機械系統存在諸多不足之處，可通過Pro/E 創建高精度部件模型，通過STP 格式導入到部件級分析軟件SAMCEF 中，對其進行超單元建模，再將超單元模型通過S4WT 集成到整機模型中，從而實現整機一體化高精度模型。
基于SWT的風電機組整體結構模態與動態載荷分析2015.pdf
展開 利用LMS SWT軟件進行風電機組載荷計算
利用LMS SWT軟件建立風電機組參數化整機模型，進行Cp 曲線分析、模態分析和載荷計算，并將計算結果與Bladed 軟件的計算結果進行了對比，為風電機組載荷仿真提供參考。
文章證實了LMSSWT 軟件的風電機組的模態計算結果、Cp曲線計算結果和載荷計算結果與Bladed 軟件的計算結果基本一致。LMS SWT 軟件中對塔架結構阻尼的定義與Bladed 軟件定義不同，需要做轉化后再進行輸入。LMS SWT 軟件采用多體動力學和有限元相結合的方法，建立參數化的非線性風力發電機組建模方式和流程化的工況條件定義，相較于GH Bladed 軟件的線性化風電機組模型，不僅可以幫助用戶方便快捷地完成風力發電機組的載荷分析計算，而且可以使用戶在進行風力發電機組的初始設計與改型設計時，準確理解設計參數的意義，及時發現設計中存在的缺陷，從而獲得現實可行的設計方案。
利用LMSSWT軟件進行風電機組載荷計算_王丹丹.pdf
展開 東方風電DF131-2500超低風速機組成功并網
8月19日，東方風電自主研發的DF131-2500型直驅永磁風力發電機組在試驗風場一次并網成功。
DF131-2500型風電機組是東方風電基于2.5MW直驅平臺，通過對整機重量、結構布局、載荷控制、模塊化設計、電控系統等全方位優化升級而推出的一款產品。針對超低風速區域設計，在2.5米/秒的風速下即可發電，在5米/秒的平均風速下，可實現年等效發電2000小時以上。
DF131-2500型風電機組風輪直徑131米，采用公司自主研發的B640A型葉片，該葉片應用渦流發生器氣動增功技術和尾緣鋸齒降噪技術，使機組增效1.5%，降低噪音2.5分貝。配套自主研發的AP70B變槳系統，結構緊湊，可維護性好，具有在線后備電源狀態監測功能，安全性更高。
DF131-2500型風電機組一次性并網成功，充分驗證了其高穩定性、可靠性和優越的電網適應性，東方風電在超低風速領域再邁出堅實步伐，為公司市場開拓、創新發展奠定了堅實基礎。
展開 貓頭鷹翅膀給風電機組降噪帶來的啟發
圖5 尾緣鋸齒結構
圖6 鋸齒條降噪效果
可控噪聲運行模式研究與應用
研究表明，槳葉旋轉噪聲與轉速的5次方成正比，故降低風輪轉速可有效降低風電機組噪聲。通過研究和仿真，我們開發了可控噪聲運行模式控制系統，每個運行模式設置一個額定轉速，可根據不同時間、不同季節、不同地域的政策要求和噪聲限值要求實現噪聲的主動控制，同時優化槳矩角控制策略，最大限度降低發電功率的損失。
圖7 降噪模式轉速控制示意圖
來源：運達風電
【技術】風電機組齒輪箱狀態監測及故障診斷
圖7 天洑數據建模平臺DTEmpower
總結
隨著全球風電裝機容量的增加，風電機組發生故障的頻率也逐漸增加，其中齒輪箱的故障大約占20%。齒輪箱故障診斷功能通過大數據分析對齒輪箱故障特征進行訓練，實現齒輪箱故障診斷和提前預警，可以有效減少風電機組的故障停機，合理安排維修計劃，降低機組停機產生的損失，為風電的安全可靠穩定運行提供了重要的保障。
天洑軟件以挖掘數據價值為核心導向，以建立數字孿生模型為技術手段，打造工業各場景最可靠、最實用的產品應用，并針對行業特點提供定制化開發服務，用AI技術解決工業運維難題。
展開 風電機組多發1億度電量，咋做到的？
風是風電發展中最重要的環節，也是風電項目中最大的不確定因素，它影響風力發電機組的設計成本，決定風電機組的最終運行狀況。因而準確地捕捉風況，從而為風機的運行提供有效的參考至關重要。
為了提升了風機風電機組對前方風場的感知能力，將機載式激光雷達與獨立變槳、前饋控制等智能控制策略相結合，讓風電機組從對風遲滯局部的感知進化到預先精準的探測，從而達到降低機組載荷和度電成本的目的。
三年前，33臺風力發電機出現在云南曲靖遠離城鎮的群山中，這里的風，每年可以生產出接近1.2億度的電能。
現在，智能風電工程師趙樹椿帶領團隊再次來到這里，要用一種新的技術，讓這些風力發電機每年再多發電600萬度以上。現有的風機頂部有風速儀和風向儀，只有風吹動儀器之后，笨重的風機才能感知到風，并開始有目標地調整姿態，大量的有效發電時間被浪費在這個過程當中。
趙樹椿給風機安裝的激光多普勒雷達，能提前15秒鐘感知到風。安裝激光雷達半年之后，與去年的同期數據相比，風場發電量增加了300萬度。按照這個趨勢，在這片風場剩余的17年生命周期里，將多發電超過1億度。
激光雷達測風方式為非接觸測量，猶如為風機裝上了觀測風速的眼睛，可以主動測量距離機組前一定范圍的風速，不受氣動外形和尾流的影響，測量精度高。精準的測量結果與連續的趨勢變化感知對機組的主動控制有相當大的指導意義。
目前投入應用的機載式激光雷達屬于相干激光雷達，根據相關光系統可細分為連續波雷達和脈沖雷達，兩者的基本工作原理上是一致的。當相干光束照射到空氣中的氣溶膠顆粒，一部分光會被氣溶膠顆粒散射而產生回波。
展開 
Simsolid在風電機組輪轂初步設計中的應用
4.總結
通過以上計算，總結如下：
1）Simsolid在風電機組零部件的初步設計中具有明顯的優勢，與常規的有限元相比，Simsolid不需要繁瑣的幾何清理和長時間的網格劃分，就能快速得到初步仿真結果。
2）軟件自動化程度很高，自動生成接觸對，效率高。
3）軟件操作界面簡單，易學易上手。
4）Simsolid目前還不能實現工況繼承，文中案例應該先施加預緊力，計算完成后再加外載荷計算。
5) 對于初步線性計算，Simsolid的結果比較合理。但涉及到螺栓組時，分析得到的結果并不合理，而且接觸面分辨率高低對結果影響差異很大，與實際也不相符合。本人水平有限，暫時還沒研究出正確的解決方法~
simsolid_hub_a.zip
simsolid_hub_b.zip
simsolid_hub_c.zip
展開 基于SWT的直驅風電機組共振檢測仿真
論文題目：Resonance Detection of a Multipole Permanent Magnet Generator with a Magnetoelastic Model
基于samcef的直驅風電機組的共振監測分析。文章首先利用samcef field對多級永磁同步電機進行了建模，然后利用超單元及多體方法將詳細電機模型與機組其他機構集成為一個整體。詳細請見附件文章介紹。
Resonance Detection of a Multipole Permanent Magnet Generator with a.pdf
基于PXI和StarSim的含雙饋發電機組的功率硬件在環仿真測試平臺
目前風電廠商較難設計出合適的控制器來滿足電力系統的實際需求；同樣電網公司也缺乏相應的手段來測試含有功頻率控制的風電機組和電力系統間的有功協調能力。
為此設計基于實時仿真的功率硬件在環仿真測試平臺。通過電力系統實時仿真器模擬大電網，雙饋風電機組則用一套小功率的實際機組來模擬。平臺具體如下圖：
通過這樣一套裝置，模擬電力系統和雙饋發電機組間的相互耦合和影響，并以此平臺進行雙饋發電機組的有功調頻控制策略的仿真與測試。
實驗設計：
1. 風電機組有功輸出變化對微網系統頻率變化影響
通過改變風電機組輸出有功的大小來觀察微網中系統頻率的變化，對電網頻率（pu）、母線電壓(V)和反饋電流(A)進行錄波，波形如下圖所示：
實際系統和實時數字仿真系統中的電壓和電流的有一個放大的關系，實際系統的380V對應仿真系統中的230kV，電流則是放大了50倍，這樣實際系統的風機功率到仿真系統中就放大了(230/0.38)*50=30263倍，實際3kW風機等值為一個約90MVA的風機。實時仿真的微網系統還有四個容量為900MVA的同步發電機。電流波形圖中，兩個尖峰時候表示并網和脫網，分別在不同的時刻給定輸出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐漸降低功率，直至脫網。可以看到電網頻率也隨之變化。3000W時，最大頻率上升到了1.005*50=50.25Hz。
2. 微網不對稱故障時對風電機組的影響
通過在實時仿真系統中設置不對稱故障從而在風電機組接入點處產生不對稱電壓，來觀察風電機組的運行情況。下圖分別是實際風電機組電壓接入點處的三相電壓和電流的波形圖：
可以明顯看到有一相電壓幅值明顯低于其他兩相電壓。采樣的反饋電流也是三相不對稱，試驗表明雙饋發電機組在三相不對稱電壓下仍然能正常工作。
展開 揭秘CAE仿真技術在風電能源領域的應用
圖片來源：《中國碳中和目標下的風光技術展望》
另一方面，隨著風電機組單機額定容量的不斷提升，葉片尺寸也在逐步增大。這導致超長葉片產品的輕量化、可靠性、安全性、效率和經濟性等方面的問題愈發突出。然而，我國仍主要依賴國外的葉片設計技術，對于大型柔性葉片的氣彈穩定性機理缺乏深入的理解，同時缺乏基于氣彈耦合效應的高效、低載、輕量化設計技術。 [1]
CAE技術在風電機組設計中的應用
風電機組作為高技術密集型產品，是風電技術的核心，其性能直接影響到風電場的發電效率和經濟效益，在設計過程中涉及到力學、自動控制、機械設計、電機學等多門學科，是一個及其復雜的系統工程。目前，在風電機組的設計中廣泛使用CAE仿真技術，實現全三維數字設計和整機特性的有限元分析。
01 葉片設計
風輪葉片是風電機組的關鍵部件，其氣動性能直接影響到風能轉換效率。通過CAE技術，工程師可以進行葉片的氣動外形設計、結構優化和強度分析。利用計算流體動力學模擬葉片周圍的流場，優化葉片的氣動性能，提高風能捕獲效率。同時，通過有限元分析確保葉片在各種工況下的結構安全性。
02 塔架和基礎設計
風電機組的塔架和基礎需要承受復雜的載荷，包括風載、重力載和動態響應等。CAE技術可以對塔架和基礎進行靜力學和動力學分析，評估其在各種工況下的穩定性和安全性。此外，通過優化設計，可以減輕塔架重量，降低材料成本，提高經濟性。
圖片來源：網絡
除此以外，CAE技術在整機部件設計中的應用還包括以下幾部分：
（1）疲勞強度分析。疲勞失效是風電機組最主要的失效形式，在設計階段可根據仿真計算得到的模擬載荷譜，或現場測試得到的實際載荷譜，使用專用的多軸疲勞分析軟件，對各主要部件進行疲勞強度分析，保證設計的可靠性。
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