單樁式海上風電塔筒結構振動能量分布特征研究

和慶冬，劉 強，金 波

(1.國家電投集團江蘇海上風力發電有限公司，鹽城 224399；2.浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，杭州 310014；3.中國海洋大學 工程學院，青島 266110)

0 引言

為實現清潔能源供應、碳達峰和碳中和這一全球遠景目標，海上風能資源開發被優先考慮[1，2]。然而，由于眾多前期所建設的風機逐漸進入服役壽命后期，加之海上惡劣的環境，制造商、業主和經營者十分關注振動監測來評估海上風電結構的可靠性，同時減少運行和維護費用[3]。業內在葉片和機艙方面的振動監測研究已經大量開展[4]，同時對于塔筒和基礎結構進行振動監測的興趣逐漸增加。塔筒和基礎在支撐葉片、集線器和吊艙等發電部件以及抵抗葉片產生的風荷載方面發揮著重要作用，其振動變化規律和能量分布特征對整體結構安全至關重要。

近年來，基于現場原型觀測的測試方法與監測技術日漸成熟，對振動數據的研究多集中于結構動態參數識別，在模態識別方面，Lian等[5]在VMD（Variational Mode Decomposition）的基礎上在提出了一種引入指標列來判斷分解精度的方法，從而自動確定模態階數。Liu等[6]針對海上高能噪聲污染的信號引入了狀態空間模型，在信號分解過程中引入了迭代噪聲提取和消除方法，進一步改善了模態混疊問題，提高了模態參數的識別精度。對于長期監測數據，Kusiak等[7]利用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統收集的數據集，從時域和頻域兩個不同的角度對風機振動數據進行了分析，利用統計分析和神經網絡等多種算法對多種參數和塔架振動的關系進行了研究。董霄峰等[8～10]在長期原型觀測的基礎上，獲得了中國某海上風電原型在不同工況下的結構振動位移信號，針對海上風電機組復雜的運行環境，重點討論了靜止、正常運行、啟動、停機和極端臺風狀態下的結構響應規律和振動安全性，此外還對不同運行工況下誘發結構振動的振源進行全面識別與分析。Zhao等[11]對一臺1.5MW風力發電機組的運行狀態和塔架的振動響應進行了長時間的監測，詳細討論了風力機在不同工況下的振動特性和一階、二階模態參數與風力機運行條件的關系，發現額定轉速工況下的振動水平最高。彭潛[12]利用近1年的實測數據對江蘇某近海風電場的一臺單樁式風機的健康狀態進行評估，監測內容包括腐蝕、傾斜、應力、土壓力和振動，并給出了風機的安全程度。

綜上所述，業內對單樁式海上風電塔筒結構的振動變化規律和能量分布特征還缺少針對性的研究。本文基于OpenFAST數值模擬結果和現場測試得到的振動監測數據，考慮坐標變換和湍流風場，對不同環境荷載和風機運行狀態下的風機動力響應特性進行相關性分析，研究了數值風機和實際風機結構在典型工況下的振動變化規律和能量分布特征，并結合時頻特性對該現象進行了解釋。

1 OpenFAST數值風機模擬

以國家可再生能源實驗室（NERL）公開的5MW單樁式海上風機為例進行了數值模擬研究。利用TurbSim模擬了OpenFAST所需的湍流風場，采用IEC標準模型的Kaimal風譜。施加的波浪荷載根據江蘇如東近海海洋環境資料中的平均風速對應的波浪工況進行，采用JONSWAP譜。參照海上實測的測點分布，提取FAST在相對基礎頂5個高度（Level1(+0m)、Level2(+15m)、Level3(+42m)、Level4(+70m)、Level5(+83m)）處的加速度數據，湍流風場和測點選取位置如圖1所示。

圖1 基于TurbSim模擬的湍流風場和測點選取位置

1.1 振動特性

本文共模擬了10種不同平均風速工況（5～23m/s）下的結構響應，每種平均風速下模擬時長為1200s。以風機額定風速為11.4m/s的工況為例，各測點在機艙前-后（FA）和側向-側向（SS）方向上的加速度時程曲線如圖2所示（選取100～110s的數據用作代表）。由圖2可知，湍流風場的使用較好地模擬了加速度的波動情況，最大加速度為0.08g，機艙FA方向的加速度幅值明顯大于SS方向的值，同時，即便是在加速度時程曲線中，也能夠明顯觀察到Level 5較Level 3（塔筒中部），Level 4處的波動幅度要小。

圖2 不同測點處加速度響應

1.2 風-加速度相關性

提取各測點加速度30s內極值和對應平均風速，各位置處加速度極值及其風速區間分布的關系圖如圖3所示。由圖3可知，在FA方向（圖3(a)、圖3(b)）和SS方向（圖3(c)、圖3(d)）上，加速度極值都隨著風速的增大而線性增大，在0～6m/s的風速范圍內，Level 5處的加速度極值與Level3，4處的值十分相近，在其余風速范圍內則呈現明顯差異；同時，FA和SS方向合成加速度極值分布（圖3(e)、圖3(f)）也和上述兩個方向一致，散點圖表明這3處的加速度極值相互交叉出現，存在塔筒中上部加速度大于塔筒頂部加速度值的現象。

圖3 OpenFAST各位置處加速度極值及其風速區間分布

對OpenFAST模擬的6～9m/s風速下不同位置處總加速度數據進行時頻分析，如圖4所示。Level 5處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，如圖4(a)所示；同樣地，在圖4(b)中，Level 3處的加速度時頻圖中2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低。而在海上風機的模態特性中，1階模態往往會引起頂部較大的加速度，2階模態則會引起塔筒中上部較大的加速度。

圖4 不同位置加速度頻譜特性（6～9m/s）

2 海上風電結構實測振動監測概況及數據分析

為進一步研究實際海上風電結構的振動能量分布，對江蘇如東某近海風電場的一臺單樁風機進行了研究。江蘇如東某近海風電場區中心點離岸約44km，海底高程-2.12 m～-14.15m（1985國家高程基準），東西方向平均長約6.5 km，南北寬約5.7km，規劃面積約37km2，共安裝50臺單機容量為4MW的風電機組，總裝機規模200MW。振動監測在其中一臺單樁風機上進行，風機現場圖片及傳感器布置、方位圖如圖5所示。該風機輪轂中心高度為95m，葉輪直徑為146m。2臺風速儀被布置在相對的兩側以考慮塔筒的遮擋效應，5個加速度傳感器沿塔筒豎向布置，其布置高度相對于標準海平面為Level1(+13m)、Level2(+25m)、Level3(+58m)、Level4(+79m)、Level5(+93m)，風速儀和加速度的采樣頻率均為200Hz。

圖5 風機現場圖片及傳感器布置、方位圖

考慮到機艙旋轉造成的影響，安裝在塔筒上的傳感器測得的響應會有變化，因此，有必要根據SCADA提供的偏航數據進行坐標轉換，以便這些信號將遵循由FA和SS方向定義的機艙坐標系方向，轉換方式如式(1)所示：

其中x′，Y′為機艙(移動)參考坐標，x，Y為塔筒（固定）參考坐標，t為時間變量，θ為塔筒傳感器參考方向和機艙方向之間的角度。

2.1 振動數據統計分析

選取監測期間兩段時間6/24～6/29日和7/24～7/29日以保證分析數據中有豐富的風速和加速度波動信息，同時保證兩段時間的潮位水平一致，6/24～6/29日風速在1～14 m/s范圍內波動，7/24～7/29日風速在10～29m/s范圍內波動。各測點每10分鐘加速度極值的變化如圖6所示，各測點在機艙FA方向的振動幅值明顯大于SS方向，圖6(c)為兩個方向加速度的疊加，可以看出，較高的加速度值不是發生在塔頂（Level 5），塔筒中部（Level 3）加速度極大值在大部分時間內都超過了塔頂傳感器

圖6 加速度極值-時間序列變化

2.2 加速度極值-風速相關性

由于風激勵是影響海上風機的響應的主要因素，因此，圖7給出了各傳感器的加速度極值及其風速區間分布關系圖。首先，在FA方向（圖7(a)、圖7(b)），整體上加速度極值隨著風速呈現先增大再微弱減小再增大的趨勢，在風速為3～9m/s時，Level 5處的加速度極值較Level 3位置處偏小，各測點加速度極值隨著風速的增大線性增大；風速為9～15m/s時，各測點加速度極值隨著風速的增大而減小；而在風速為15～20m/s時，各測點加速度極值隨著風速的增大而又呈現增大的趨勢。其次，在SS方向上（圖7(c)、圖7(d)），Level 3處的加速度極值要明顯大于其余位置處，整體上加速度極值隨著風速呈現先增大再減小再增大的趨勢。由于FA方向為主振方向，圖7(e)、圖7(f)所示的FA和SS方向合成的加速度極值及其均值-風速呈現的規律與圖7(a)、圖7(b)相似，除3～9m/s Level 5加速度極值小于Level 3外，其余風速段內Level 5和Level 3，4的有效值十分接近。可以看出，總體上加速度極值隨著風速的增長而增大，在風速為10～15m/s左右時，葉片槳距角的調整使得風機的振動水平呈現明顯降低，呈現“波谷”狀。

圖7 各傳感器的加速度極值及其風速區間分布

針對上述現象，對6～9m/s風速下不同位置處的總加速度數據進行時頻分析，如圖8所示。在圖8(a)中可觀察到Level 5處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，在圖8(b)中，Level 3處的加速度2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低，與數值模擬研究的結論相一致。

圖8 不同位置加速度頻譜特性（6～9m/s）

3 結語

本文基于數值模擬得到的加速度數據以及現場測試得到振動監測數據和SCADA數據，對單樁式海上風電塔筒結構振動能量分布特征進行了研究，在對數值模擬結果和長期監測數據進行相關性分析的基礎上，研究了風機結構在典型工況下的振動分布特征和變化規律，可得出如下結論：

1）實測數據表明，單樁式海上風電塔筒結構振動能量分布特征和變化規律受環境荷載變化影響，在不同風速區間內其分布特征稍顯不同。

2）對數值模擬和實測數據合成加速度的時頻分析表明，塔頂處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，塔筒中部處的加速度2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低；

3）對OpenFAST數值模擬和實測數據的相關性分析表明，海上風電塔筒結構在服役過程中存在塔中加速度值大于塔頂處的現象，工程中對塔筒中部的疲勞強度應予以特別關注。