股票 
板块 
用户 
资讯 JIAZE
近日，公司生产运维部谢双禄、李辉、周津、王正川4人共同撰写的题为《基于负风切变影响的风电机组叶尖扫塔现象分析与研究》的论文，成功发表于风电行业权威期刊《风能》杂志2026年第8期。
《风能》杂志是工信部主管的风电行业国家级专业期刊，是国内风电行业极具影响力的技术交流平台。期刊稿件遴选严格，在业内拥有较高认可度与公信力。
本次刊发论文针对风电机组叶尖扫塔现象，从环境天气、叶片净空设计、叶片质量、机组运行数据等方面进行原因分析，确认叶尖扫塔故障原因，基于此制定了风轮IPC载荷监测与保护算法，仿真验证表明该方案切实有效，为风电机组故障预防、安全运维、风险管控提供技术参考。
论文全文
基于负风切变影响的风电机组叶尖扫塔
现象分析与研究
文|谢双禄，李辉，周津，王正川
作为风电机组捕获风能的核心部件，叶片的动力学特性和结构安全至关重要。随着风电机组大型化发展，叶片设计日趋柔性化、轻量化，这使得叶片与塔筒的动态净空距离可能小于设计最小值，叶尖扫塔风险剧增。叶尖扫塔故障后果严重，不仅造成巨大的经济损失，更可能威胁环境与人员安全。因此，深入研究叶尖扫塔故障的内在机理，构建有效的预警机制并制定优化的控制策略，对于保障风电机组的安全稳定运行、经济效益具有重要的理论价值和工程应用价值。
目前，国内外学者已经针对叶尖扫塔现象开展了大量研究。然而，现有国外研究多聚焦于常规复杂风况下的耦合机理与主动控制，如Bottasso C L等建立了考虑塔架-叶片气动-结构耦合的高保真仿真模型，揭示了极端风况下塔架大幅晃动与叶片变形之间的非线性耦合机理，为叶尖扫塔风险的理论评估提供了重要依据；Peeters J等提出了基于模型预测控制（MPC）的主动净空管理策略，通过实时优化变桨与转矩指令，在保证发电性能的同时显著降低了叶尖扫塔概率。国内研究尚停留于故障机理归纳与被动预警层面，如罗雁飞等总结了风电叶片扫塔的常见原因，并提出了相应的预防措施 ；扁逸飞等提出了基于事件相机的叶片扫塔预警方法，能够实现对叶尖扫塔故障的提前预警；王文亮等对风电叶片叶尖净空进行了分析，并提出了相应的控制方法。然而，针对寒潮诱发极端负风切变工况下的叶片扫塔故障，缺乏主动控制策略。
本文以某6.X MW双馈风电机组的叶尖扫塔现象为案例，开展了系统性研究，旨在弥补极端负风切变工况下叶尖扫塔机理研究的不足，提出基于风轮载荷监测的独立变桨控制（IPC）的净空主动保护策略，避免后续机组在极端负风切变工况下再次发生叶尖扫塔现象。首先对故障现象进行了详细的现场勘察与描述，随后从叶片净空设计、叶片质量、机组运行数据、环境天气条件、叶片载荷等多个维度开展了故障原因分析，通过多体动力学仿真确认了极端负风切变是导致本次叶尖扫塔故障的核心诱因；在此基础上，提出了基于IPC载荷监测的净空保护控制策略，通过仿真与现场测试验证了该策略的有效性，最后提出了针对寒潮极端工况的机组运行优化建议。
故障描述
2025年4月1日，运行维护人员在例行巡检中发现，一台6.X MW双馈风电机组运行状态异常：叶片叶尖出现约1.5m的断裂破损，同时在塔筒60m高度处观察到明显的黑色刮蹭痕迹（图1）。值得注意的是，该机组在巡检期间仍保持正常运行状态。经核查中央监控系统历史数据，未记录相关告警或故障报文。运行值班人员随即采取应急措施：立即远程停机，将机组切换至“维护”模式，并启动抗涡激保护系统，有效防止了故障进一步扩大。
故障原因分析
叶片扫塔故障的主要因素有气动因素、结构动力学因素、控制逻辑与运行参数因素、环境与地理因素、设计与制造因素。设计、制造、道路运输、叶片安装、机组选型、风电场适应性评估、日常运行维护等任何一个环节出现问题都可能造成叶片早期隐匿性损伤，多种因素叠加造成叶片扫塔。进行扫塔原因分析时，需结合风电场实际情况，对多方面原因进行综合分析。
一、叶片净空设计及叶片质量分析
叶片净空应符合IEC 61400-1:2019标准，其具体限值因测试项目而异。例如，在刚度测试中，净空要求不小于25.9%。基于6.X MW平台设计的风电机组配置98m叶片，其动态净空设计阈值为9.95m。经有限元分析表明：静态工况下叶尖 -塔筒间距为30.46m（动态最大位移20.51m），虽满足IEC 61400-1第4版30.457m的最低静态间距要求，但净空裕量仅0.003m（0.1%量级）。该临界状态对极端风况及环境载荷高度敏感，且易受运输、安装与运行过程中的潜藏隐患叠加影响，从而显著增加叶片扫塔风险。在叶片质量问题排查过程中，对其设计、生产及检验资料进行了溯源。档案数据显示，该叶片的生产过程、产品Tg检测及UT检测结果均符合工艺标准要求。叶片主要原材料合格、叶片配重后质量互差及质量矩互差满足要求。该叶片无较大缺陷（所有缺陷均已维修验证闭环），出厂质量检验合格。现场查勘叶片道路运输、场地存放、安装相关视频和文件记录，无明显异常情况。
二、风电机组数据分析
下载该机组周边8台风电机组的SCADA系统运行日志文件，结果如图2所示。对8台风电机组1倍风轮旋转频率（1P）的变化趋势开展分析，结果表明：3月29日该时段内其余风电机组在额定转速工况下，1P时序数据未出现异常波动；与之相比，研究风电机组在额定转速工况下1P分量幅值呈现发散性增高特征，同时伴随显著的时序波动异常，推测为叶尖断裂后的气动不平衡所致，该特征可间接表明研究机组此时已发生叶尖断裂现象。
本次分析采用的是2025年3月1日至3月31日的SCADA系统运行数据，数据采样频率为1Hz，采用快速傅里叶变换（FFT）提取转速时序数据中的1P分量，以此分析风轮转频的变化趋势。
同时对2025年3月29日该风电机组风速、风向、机舱位置、发电机转速、有功功率、机组振动加速度等运行时序数据进行分析，各运行参数在同一时刻均出现突变，判定该机组于上午11时25分左右出现“瞬时振动冲击”，并且风速、风向存在突变情况，该时段机组运行数据特征符合叶尖扫塔工况特征。具体运行数据如图3所示。
2025年3月塔架一阶频率数据（图4）表明，其频率分布稳定，未见突变，证实塔架主体结构无明显异常。
三、环境天气情况
该风电机组所在风电场当月空气密度约为1.23kg/m3,处于年度平均空气密度较高时段，虽然发电量增加了，但也增加了极端风况下叶片的载荷。依据2025年3月27日国家预警信息发布中心发布的消息，3月29日当地有寒潮蓝色预警。但消息发布后，风电场未对此预警进行识别及制定相关预防措施。该预警未得到有效响应，暴露出现有控制策略在极端寒潮工况下的适应性不足。
当天，寒潮来袭时可能伴随负风切变、高湍流等极端风况。这些极端风况具有复杂性和不稳定性，对机组产生不利影响。负风切变可能会使叶片承受不均匀力的作用，使叶片变形扭曲，高湍流可能导致机组受到频繁且不规则的风力冲击，对叶片及其他部件造成结构性损伤。
本次寒潮过程中，现场测风塔观测到极端负风切变指数约为-0.135（即风速随高度增加而显著降低），10m高度风速为12m/s，100m高度风速为8.8m/s；本次寒潮过程中未观测到明显的覆冰现象，叶片表面覆冰厚度为0。
四、载荷分析
本研究针对轮毂俯仰弯矩（My）开展载荷特性分析，该载荷分量可有效表征风切变对机组的动态激励作用。采用基于轮毂高度10min平均风速的等间隔分箱法（bin width=1m/s，覆盖3~10m/s运行区间）， 系统统计了各风速区间的载荷分布特征。关键数据（表1）表明：2025年3月29日故障事件中，轮毂My极值达-9331.43kN·m，超出正常工况载荷分布范围（-3σ以下）。机理分析表明，该异常载荷源于极端负向风剪切诱发的气动推力分布严重不均，导致叶片产生非线性大挠度变形，最终导致叶尖动态净空裕量被完全耗尽。此现象与经典气弹耦合理论中“负剪切-载荷放大”效应高度吻合。
五、净空仿真分析
本次仿真采用的是GH Bladed 4版本的风电机组专业仿真软件。本次动态净空的计算采用了多体动力学仿真方法，充分考虑了叶片、塔筒、机舱、轮毂等部件的耦合动力学效应，而非简单的线性叠加。仿真中建立了包含12个自由度的机组多体动力学模型，能够准确模拟叶片的挥舞、摆振变形，以及塔筒的前后、左右摆动，同时考虑了二者之间的耦合作用，从而得到更准确的动态净空计算结果。基于IEC 61400-1标准，通过仿真系统验证了机组在该工况下的动态净空安全裕度。根据扫塔时刻数据进行的叶片净空仿真分析结果（图5）表明，该工况下叶片净空趋近于零，存在叶尖扫塔风险。由于缺乏实测数据，该结果有待现场测试进一步标定与验证。
六、故障结论
通过对当地环境天气、叶片净空设计、叶片质量、机组运行数据、叶片载荷、故障运行数据仿真进行详细分析，确认叶尖扫塔时间为2025年3月29日上午11时29分左右。
3月29日该风电场存在极端寒潮强对流天气，依据叶片载荷以及净空仿真分析结果，由于较强的负风切变作用，机组在较低风速时即产生较大的负俯仰弯矩（低头力矩），导致叶尖净空完全丧失(≤0），最终发生轻微叶尖扫塔。
优化控制策略与验证
一、优化控制策略
算法开发基准：基于不同风速下的机组运行状态，在风况中叠加不同负风切变，仿真出对应的净空距离数据。以风速-负风切变-净空距离矩阵，最终制定出“风速-负风切变”净空保护动作阈值。
该矩阵的风速分箱间隔为1m/s，覆盖3m/s到15m/s的机组运行风速区间；负风切变的范围为-0.2s-1到0s-1,覆盖了寒潮过程中可能出现的极端负风切变范围。该阈值已经通过了IEC 61400-1标准中的极端运行阵风（EOG）叠加最大负风切变（-0.2s-1)的工况验证。验证结果表明，在该工况下，保护算法能够正确触发，有效避免扫塔故障。该阈值的安全系数设置为1.25，即当计算得到的动态净空小于静态净空的80%（也就是安全裕度低于20%）时，触发保护动作，预留了足够的安全余量。为了避免误动作，算法中加入了1s的延时滤波，同时结合湍流强度进行辅助判断，只有当湍流强度大于0.15，负风切变超过阈值，并且持续时间超过1s时，才会触发保护动作，有效避免了瞬时波动导致的误动作。
主控程序中增加风轮IPC载荷监测及保护算法，当通过IPC载荷识别到极端负风切变工况时，风电机组将在正常发电工况桨距角的基础上执行+3控制逻辑动作，以增加叶尖净空距离，实现对机组的控制保护。针对极端负风切变这一暂态工况，经大量仿真校验，将桨距角增加3被证实为最优控制策略。该措施能有效降低气动攻角，从而减小气动载荷与叶尖挥舞位移，最终叶尖净空可以增加约7m，刚好能够将故障工况下的净空从接近0m提升到满足安全裕度的要求。在这种暂态工况下，机组发电量的波动仍处于可接受的范围。
二、控制策略的仿真验证
为验证控制算法的有效性，沿用与故障分析一致的仿真模型进行复核验算。该模型已经通过机组的静态测试和动态测试进行了校准，误差在5%以内，能够准确模拟机组的实际运行状态。以额定风速10.0m/s稳态风叠加负风切变工况的仿真结果为例进行说明：识别到极端负风切变工况后，机组立即执行保护动作，桨距角调整+3,叶根My载荷显著降低，叶尖最小净空从8m增大到15m以上，控制策略仿真验证有效。具体仿真结果如图6、图7所示。
结论
本文针对某风电机组叶尖扫塔现象，从当地环境天气、叶片净空设计、叶片质量、机组运行数据、叶片载荷、故障运行数据仿真进行原因分析，确认叶尖扫塔故障的原因。基于此制定了风轮IPC载荷监测与保护算法，仿真验证表明该方案切实有效。
为了有效预防长叶片机组抗极端寒潮能力，建议各机组厂家基于叶片净空监测和载荷监测搭配变桨前馈控制逻辑的方式，在极端寒潮时增加机组应对能力，确保机组运行的安全性。对于已并网的老旧风电机组，可通过软件升级的方式，为其增设寒潮控制专用模式，实现手动干预运行。当风电场面临寒潮时，应由专业技术人员负责设定寒潮预警条件，并及时通过SCADA监控界面手动启动寒潮控制运行模式。
本研究存在以下局限性：首先，故障溯源具有间接性，因净空监测系统缺失，关键数据只能靠SCADA和仿真反推，归因确定性有限；其次，仿真风况为基于机组工况及气象数据的等效模型，未考虑叶片覆冰等极端环境因素的叠加影响；最后，提出的控制策略目前仅在仿真层面得到验证，尚未在实际机组上进行工程测试以进一步确认其有效性和可靠性。
参考文献：
1: DNV. DNV-ST-0376:2016 Rotor blades for wind turbines[S]. Oslo: DNV, 2021.
2: Bottasso C L, Croce A, Savini B, et al. Aero-servo-elastic modeling and control of wind turbines using finite-element multibody procedures[J]. Archive of Applied Mechanics, 2006, 75(10): 691-708.
3: Peeters J, Dierckx R, Desmet W, et al. Model predictive control for active tower damping and blade clearance control of wind turbines[C]. Journal of Physics: Conference Series, 2018, 1037: 032028.
4: 罗雁飞，肖长远，孙茂文，等.风力发电机组叶片扫塔原因分析及预防措施[J].湖南电力，2023，43（1）：116―120+126.
5: 扁逸飞，雷太航，刘子宾，等.基于事件相机的风力发电机叶片扫塔预警方法[J].光学学报，2024，44（22）：152―161.
6: 王文亮，张国强，李璇烨.风电机组叶尖净空分析与控制[J].水力发电，2022，48（4）：94―98.
7: 蔡高原.风电机组叶片扫塔故障分析与对策研究[J].科学技术创新，2022（10）：151―154.
8: 范焕，何学，李秀海，等.风电超长尺寸叶片研究概述[J].风能，2026（5）：88―97.
9: IEC 61400-1: 2019, Windturbines-Part1: Designrequirements[S].InternationalElectrotechnicalCommission, 2019.
评论 (0)