目前風電機組塔架減振控制技術分析

王雍 張新 張五泉

摘 要：當前部分風電場風電機組塔架減振控制問題突出，分析普通高聳結構的減振控制技術特征和運用于風電機組的可行性，根據風機塔架結構與運行自身特性，對減振技術研究方向提出適應性要求，為工程技術研究提供借鑒。

關鍵詞：風電；塔架；振動；控制

中圖分類號：TM614 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）21-0133-02

風力發電因清潔無污染、單機容量大、經濟效益好等優點，已成為目前最具發展潛力的新能源之一。近年來風電機組單機容量越來越大，平原和山地風電場采用2.5MW或3MW機組比比皆是，塔架的高度也越來越高，而塔架受加工、制作、運輸等因素限制，直徑有限，塔架自振頻率因而相對降低，對風荷載愈發敏感，振動問題更加嚴峻。振動引起的疲勞損傷積累對塔架十分不利，特別是目前國內不少風電場發現部分風機基礎施工質量等出現問題，風機在大風速運行時塔架擺幅較大，風機主體結構安全性受到較大影響，研究振動控制技術，減小塔架在外部激勵下的動力響應，顯得十分重要。

1 風機振動控制裝置的研究現狀

風電機組塔架擺幅過大時，極端荷載工況下工程安全性問題更為突出。目前很多學者對風機塔架的振動控制研究多數采用被動控制方法，少數學者針對主動控制方法和半主動控制方法進行了研究。

1.1 被動控制方法

高層建筑和高聳結構中普遍采用的調諧質量阻尼器（TMD）主要為支撐式和懸吊式兩種形式。支撐式只能在一個或者兩個垂直方向上移動，無法實現伴隨風力發電機的偏航對風而同步旋轉調向。針對這一問題，黃亮[1]設計了一種可以隨風向主動對向調整的支撐式TMD，該裝置需在風機上端塔架內設置可旋轉平臺，依靠旋轉調節裝置驅動平臺上的質量塊隨風機偏航同步旋轉。Argyriadis和Hille[2]提出在塔架頂部設置浸在阻尼油中的懸吊式TMD來減小塔架的振動，并分析了阻尼器在不同風速情況下的減振效率，驗證了該方法的可行性和有效性。Colwell和Basu[3]提出采用調諧液阻尼器（TLD）對于風機進行振動控制，并采用數值分析方法研究了阻尼器的振動控制效率，數值分析結果表明TLD振動控制效果良好。李杰等利用粘彈性材料的剪切變形耗能特性設計了貼壁差動式粘彈性阻尼器，當塔架受外荷載作用發生彎曲變形時，裝置內部的粘彈性材料將產生剪切變形進而將能量耗散或轉化為熱能（圖1）。馬人樂[4]設計了一種鐘式減振器，利用質量塊與主結構反向擺動，將慣性力施加在主結構上，削弱結構振動。Chen（同濟大學陳俊嶺）和Georgakis[5]基于TMD原理設計了一種新型的球面容器阻尼器，通過容器內鋼球滾動或液體振蕩耗散能量，振動臺試驗結果表明，當容器內鋼球或液體質量為塔架一階模態質量1.5～2.5%時，阻尼器可使試驗模型在不同工況下的動力響應減小20%～46%（圖2）。

1.2 主動控制方法

主動控制裝置一般含有作動器和重物，故而體積較大，且造價較高。為了將主動控制方法應用在風力發電機組上，若狹強志等[6]設計了一種改進后的主動式減振方法，該方法利用加速度計、傾角控制機構、加法裝置和速度推算裝置等代替傳統的重物和驅動重物的作動器，根據加速度計的實時數據反饋，計算出減小振動所需的葉片槳距角變化，并通過葉片槳距角的實時變化達到減小振動的目的。

1.3 半主動控制方法

對于風電機組半主動控制方法的研究主要集中在葉片的減振上。Arrigan等[7]提出了在葉片尖部和機艙加設半主動調諧質量阻尼器（STMD）來控制葉片的揮舞。通過對湍流和穩流兩種風載狀態下減振效果的分析，發現加設該裝置后風機系統和葉片的振動均減小。

2 風機塔架振動控制裝置的要求

風力發電塔架作為高聳結構的一種形式，在振動控制技術方面可以借鑒已有高聳結構的振動控制方法。很多學者采用數值分析或者室內試驗的方法研究了結構振動控制技術對減小風機振動的可行性，被動控制方法主要針對塔架采取技術控制措施，主動或半主動控制法主要針對風機葉片采取技術控制措施，總體來說，大部分學者提出的振動控制裝置還停留在理論和概念設計層面，由于安裝條件所限，在實際工程中的應用受到很大限制。TMD是目前在塔式結構振動控制中應用較廣泛的一種被動控制裝置，一般由附加的慣性質量、阻尼器和彈簧組成，因構造簡單、易安裝、維護方便、經濟實用、可靠性高、不需要外力作用等特點具有優勢。但是，對于大型風電機組來說，塔架的一階模態質量一般高達數百噸，TMD系統的質量達到一階模態質量的1～2%以上時才會取得比較明顯的減振效率。而風機塔架運行時自身振動較大，與普通高聳建筑在結構形式、振動特性和受荷特點等方面差異較大，傳統的TMD減振裝置由于安裝條件的限制無法直接用于風電機組。因此，適合風電機組的振動控制裝置應在借鑒已有結構振動控制理念的基礎上，還要結合風力發電機組自身的結構特性和工作原理進行研究改進。對振動控制裝置的要求應具有以下特點：

（1）振動控制裝置應適應不同的荷載工況。脈動風、葉片轉動以及葉片與塔架的耦合振動導致風機塔架的振動非常復雜。因此，風力發電機組在啟動、正常工作、停機以及極大風速等不同工況下的振動特性有很大差異，阻尼器的設計需要適應不同的荷載工況，有效減小不同荷載工況下風力發電機組的動力響應。

（2）振動控制裝置應具備方向的適應性。風機運行時機艙會根據風向自動偏航，振動方向隨之改變，要求振動控制裝置的作用方向能適當跟蹤風力發電機組的振動方向，以便充分發揮減振作用。對于少數因風機基礎質量問題造成風機塔架擺動較大的情況，如果地區主風向比較明顯固定，也可以著重研究滿足主風向大風速工況下的塔架減振技術，降低方向性的適應要求，使問題得到一定的簡化。

（3）振動控制裝置應適應風機塔架的內部空間。風機塔架內有電纜、安全繩索、爬梯、平臺等配件，機艙內有齒輪箱、發電機和剎車裝置等設備，可用空間有限。因此設計振動控制裝置時要考慮上、下運輸的可行性，幷能根據風機內平臺的可利用空間，靈活布置。

（4）振動控制裝置應力求做到模板化，具有良好的經濟性，以滿足不同型號風機的需求，便于大批量生產和投入使用。

根據風力發電塔架的實際條件和目前塔架減振技術成果來看，目前同濟大學陳俊嶺等提出的一種安裝在塔架頂部平臺和機艙內空間的多層球面直壁滾球阻尼器，通過對容器半徑和滾球半徑和數量的合理設計，使滾球的滾動頻率和結構的振動頻率調諧實現減振，減振效果明顯，已應用于多個風電場工程。

3 結語

綜上所述，由于風電機組作為一種發電設備，風力發電塔架在結構形式、振動特性等方面不同于一般的高層建筑和高聳結構，傳統的阻尼器裝置對于風力發電塔架不具有直接應用和安裝可行性。因此，需要工程界和研究單位進一步根據風機塔架和機艙內的可利用空間，開發適應不同的荷載工況、有一定方向適應性和良好經濟性的振動控制裝置，高效、經濟地降低風力發電塔架的振動，特別是對于存在施工質量問題風電機組，如何進一步減小風機塔架的振動擺幅，提高風機運行安全性，成為風電行業急需解決的問題。

參考文獻

[1]黃亮.風機用調諧質量阻尼器減振控制裝置[P].上海：CN101302995，2008-11-12.

[2]Argyriadis K，Hille N.Determination of fatigue loading on a wind turbine with oil damping device[J].Germanischer Lloydt， Hamburg.2004.

[3]Colwell S， Basu B.Tuned liquid column dampers in offshore wind turbines for structural control[J].Engineering Structures. 2009，31（2）： 358-368.

[4]馬人樂.風力發電塔鐘式減振器[P].上海：CN202091424U，2011-12-28.

[5]Chen J，Georgakis C T.Tuned rolling-ball dampers for vibration control in wind turbines[J].Journal of Sound and Vibration. 2013，332（21）：5271-5282.

[6]若狹強志，井手和成，林義之等.風力發電裝置及其主動式減振方法以及風車塔架[P].日本：CN1906409，2007-01-31.

[7]Arrigan J，Pakrashi V，Basu B，et al.Control of flapwise vibrations in wind turbine blades using semi active tuned mass dampers[J].Structural Control and Health Monitoring.2011，18（8）：840-851.