ПРЕДЕЛЬНАЯ РЕАКЦИЯ ВЕТРОГЕНЕРАТОРОВ
Хенрик Стенсгэард Тофт, Джон Дэлсгэард Сыренсен
Автор перевода: Черкашин П.П.
АННОТАЦИЯ
Характерная нагрузка на ветрогенератор в процессе работы в частности зависит от средней скорости ветра, интенсивности турбулентности и типа и параметров системы управления. Характерная нагрузка во время работы, как правило, оценивается статистической экстраполяцией ограниченной в интервале 10 минут числа серий отклика, согласно ветряным стандартам МЭК 61400-1. Однако, этот метод предполагает, что отдельные регистрируемые пики в течении 10 минут являются независимыми. В настоящей работе это предположение исследовано на основе полевых измерений, и новый метод оценки характеристик нагрузки на основе полевых измерений предлагается.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Ветрогенераторы, нагрузка экстраполяции, полевые измерения.
1. ВВЕДЕНИЕ
Методы оценки характерных нагрузок на ветрогенераторы в процессе работы широко обсуждались в отрасли ветряных турбин в последние годы. В ветряном стандарт стандартам МЭК 61400-1 3. издание 2005 г . [1] рекомендуется определять характеристику нагрузки статистической экстраполяцией, моделированием в интервале 10 минут числа серий отклика во время работы ветрогенератора. Этот метод основан на [2] и использует пик над порогом (ПНП) способ регистрирования пиков из моделируемого временного ряда. Другие методы расчета характеристик нагрузки и регистрирования пиков, предложены в [3, 4].
Метод экстраполяции нагрузки в соответствии с МЭК 61400-1 основывается на предположении, что отдельные пики регистрируемые методом ПНП в течении 10 минут являются независимыми. Предположение о независимости пиков была изучена в [4], было установлено, что корреляция имеет слабый характер. Поскольку экстремальные нагрузки зависят от средней скорости ветра, интенсивности турбулентности, типа и параметров системы управления, корреляция ветрогенераторов должна зависеть от соотношения этих параметров.
В работах [5, 6], рассматриваются эти соотношения, в пределах 48-60 часов для средней скорости ветра. Корреляции в турбулентности была исследована в [7], ведущая к корреляционной длине в диапазоне 10-20 секунд. В системе управления соотношение будет зависеть от того какая быстроходность шага ветроколеса или другие способы снижения нагрузки на структурные компоненты. Если система управления является активной, корреляционная длина для системы управления, как правило, находится в пределах нескольких секунд. Длина корреляции для реакции ветряка и отсюда предельная нагрузка определяются в других масштабах времени.
2. ШТОРМОВАЯ СКОРОСТЬ ВЕТРА
Для обычных инженерных сооружений предельная нагрузка определяется в экстремальных скоростях ветра. Однако, для ветрогенераторов предельную нагрузку часто проверяют близко к номинальной скорости ветра (как правило, Uном = 15 м/с) или граничной скорости ветра (как правило, Uгр = 25 м/с). Ниже скорость штормового ветра определяется из возможной предельной нагрузки. На рис. 1, изображена средняя скорость ветра и максимальное колебание отклонений для 10 минутного интервала, отведенного для контроля ветрогенератора.
Рис. 1: Средняя скорость ветра и максимальное колебание отклонений для 10 минутного интервала. Шаг контролируемого ветрогенератора.
Из рис. 1 видно, что максимальные колебания отклонений наблюдается для средней скоростии ветра близко к низким скоростям ветра. Однако, на средних скоростях ветра близко к номинальному ветру, колебания отклонений, практически остаются на постоянном уровне. Чтобы избежать, не критической реакция на малых средних скоростях ветра процедура экстраполяции была определена на штормовых скоростях ветра. Штормовая скорость ветра - самая малая средняя скорость ветра, когда реакция может стать критической. На основании рис. 1, скорость штормового ветра определяется как наименьшая средняя скорость ветра, когда порыв ветра может достигнуть номинальной скорости ветра:
(1)
где турбулентность считаем гауссовским распределением, а пик-фактором считаем кр = 3,5, как и для давление ветра. Среднее квадратическое отклонение турбулентности считается [1]:
(2)
где Iреф - справочная интенсивность турбулентности при 15 м\с, и c =3.8 м/с - константа. Все скорости ветра определяются на высоте башни.
3. ЭФФЕКТ НАГРУЗОЧНОЙ ЭКСТРАПОЛЯЦИИ ДЛЯ ПОЛЕВЫХ ИСПЫТАНИЙ
Основанный на определении скорости штормового ветра, приведенный в предыдущем разделе, временной ряд полевых измерений может быть сведена к ряду независимых бурь, из которых можно определить предельную реакцию, см., например, [8], где подобный подход был использован для волн. Из полученных пиков распределения для предельной реакции. В настоящей работе присутствуют 3-параметра распределения Вейбулла, которые установлены на 25-30 максимальных пиках, чтобы пренебречь минимальными пиками в рассмотренных данных.
(3)
где S определяет шторм, а α, β, γ - параметры в функции распределения, которые определяются Методом Наибольшего Правдоподобия, чтобы принять статистическую неопределенность во внимание. Характерная нагрузка при работе с периода повторения по годам Тр дает возможность рассчитать вероятности:
(4)
где λ - номер данных, ежегодно используемых для того, чтобы установить функцию распределения. В статистической неопределенности, функция распределения может быть решена для вероятности в (4) с помощью МППН (метод первого порядка надежности), см. [9].
4. ЧИСЛЕННЫЙ ПРИМЕР
В данном разделе характеристика нагрузки, с и без статистической неопределенности рассчитывается с использованием метода МЭК 61400-1 и метода, основанного на независимости штормов, представленные в данной работе. Набор данных полных измерений, контролируемых ветрогенераторов в интервале 52 дней, представлены в таб. 1. Подобное сравнение должно быть выполнено для шага контролируемого ветрогенератора.
Таблица 1: Характеристики колебания отклонений, с и без статистической неопределенностью.
Как видно из таб. 1, характеристики нагрузки рассчитываемые на основе независимой бури дает более высокую нагрузку, чем характеристики, полученные методом, используемым в МЭК 61400-1. Ограниченный набор данных ведет к высокой статистической неопределенности.
5. ВЫВОДЫ
В данной работе представлен новый метод для оценки характеристик нагрузки на ветрогенераторы. Метод основан на полевых измерениях ветрогенераторов результаты, которых разделены на независимые бури. Характеристика нагрузки определяется экстраполяцией максимальных откликов каждого шторма. В численном примере представлены характеристики нагрузки, рассчитанные с использованием метода МЭК 61400-1 и метода, основанного на независимости штормов. Разность между характеристиками нагрузки указывает на то, что отдельные пики в 10 минутном интервале не независимые.
6. БЛАГОДАРНОСТИ
Исследования, представленная в данной работе является частью проекта "Вероятностное проектирование ветрогенераторов" при поддержке Датского Агентства Исследований, грант №. 2104-05-0075. Отдельная благодарность за финансовую поддержку.
ЛИТЕРАТУРА
[1] IEC 61400-1. Wind turbines - Part1: Design requirements. 3rd
edition. 2005.
[2] Moriarty PJ, Holley WE, Butterfield S. Effect of turbulence variation on extreme loads
prediction for wind turbines. Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the
Asme 2002 Nov;124(4):387-95.
[3] Peeringa JM. Extrapolation of extreme responses of a multi megawatt wind turbine.
2003. Report No.: ECN-C-03-131.
[4] Ragan P, Manuel L. Statistical extrapolation methods for estimating wind turbine
extreme loads. Journal of Solar Energy Engineering-Transactions of the Asme 2008
Aug;130(3).
[5] Coles SG, Walshaw D. Directional Modeling of Extreme Wind Speeds. Applied
Statistics-Journal of the Royal Statistical Society Series C 1994;43(1):139-57.
[6] Cook NJ. Towards Better Estimation of Extreme Winds. Journal of Wind Engineering
and Industrial Aerodynamics 1982;9(3):295-323.
[7] Dyrbye CD, Hansen SO. Wind Loads on Structures. Wiley; 1996.
[8] Soares CG, Scotto MG. Application of the r largest-order statistics for long-term
predictions of significant wave height. Coastal Engineering 2004 Aug;51(5-6):387-94.
[9] Madsen HO, Krenk S, Lind NC. Methods of Structural Safety. Dover Publications,
Inc.; 2006.
Источник: Department of Electronic Systems [Электронный ресурс] - Режим доступа URL: http://www.es.aau.dk/