大型风力发电机组地震载荷计算方法研究

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）

大型风力发电机组地震载荷计算方法研究

王其君，高中华

（东方电气风电有限公司，四川德阳，618000）

随着国家大规模开发风力发电，风力发电机组安全性逐渐受到重视。近年来全国地震时有发生，由于地震很难预测，并且具有很强的破坏性，风力发电机组在地震情况下的安全性必须在设计中考虑。文章介绍了风力发电机组地震设计标准，分析了地震载荷计算原理。最后根据2 MW陆上双馈风力发电机组，分析了地震载荷对风力发电机组各个部件设计的影响，为风力发电机组地震载荷计算提供了参考经验。

风力发电机组，地震设计标准，地震载荷计算原理

0 引言

风能是一种可再生的清洁能源，据国家气象局估算，可开发和利用的陆地上风能储量有2.53亿千瓦，近海可开发和利用的风能储量有7.5亿千瓦，共计约10亿千瓦。根据中电联年度快报统计，截至2014年底，全国全口径发电装机容量为13.6亿千瓦。因此，如果把全国风能资源用于发电，风电基本可以满足全国用电需求。现阶段，中国主要依靠化石能源发电，中国碳排放量居于世界首位，基本是美国碳排放量的两倍。由于碳排放量过大，引起很多环境污染问题。

从2005年开始，中国风力发电得到快速发展。截至2015年，中国风电装机规模已经超过1.4亿千瓦。根据国家规划，未来15年的时间里，每年新增风机容量大约是2 500万千瓦。“十三五”期间，风电每年规划量维持在3 000万千瓦的规模。风力发电机组都安装在露天空旷的场地，近年来全国地震时有发生，由于地震很难预测，并且具有很强的破坏性，风力发电机组在地震情况下的安全性逐渐受到重视。本文首先介绍地震参考标准，然后对地震载荷计算原理进行介绍，最后以某型2 MW风力发电机组为例进行具体地震载荷计算分析。

1 地震参考标准

对风力发电机组做地震载荷计算，首先要明确地震设计参考标准。地震设计标准是根据各国抗震设计经验结合地震基本理论制定的地震设计参考准则，因此，不同国家拥有不同的设计标准。现在风力发电机组地震设计主要参考GB 50011-2010（建筑抗震设计规范）和EN 1998-1（抗震结构设计）等两个标准，其中GB 50011-2010为中国抗震设计标准，EN 1998-1为欧洲抗震设计标准。

EN 1998-1规定地震区的建筑结构应遵循以下两个设计原则[1]：

（1）破坏极限要求：结构经抗震设计后，在地震作用下结构有很大抗御地震的能力，没有任何破坏并可使用，经济损失较结构成本很小，即满足地震作用10年的超越概率PR、重现期TR的要求，推荐值分别为10%、95年。

（2）不倒塌要求：结构经抗震设计后,在地震作用下没有局部或整体性的倒塌，即在地震作用下保持结构完整性，并有可承受荷载的能力，即满足地震作用50年的超越概率PR、重现期TR的要求，推荐值分别为10%、475年。

GB 50011-2010规定建筑基本抗震设防目标是：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏[2]，即小震不坏，中震可修，大震不倒。我国抗震设计标准规定的3个设防等级对应的超越概率PR和重现期TR如表1所示。

表1 我国抗震标准规定的超越概率和重现期

由于EN 1998-1和GB 50011-2010两个标准地震参考时间不同，因此无法直接对这两个标准进行比较。根据式（1）可以转换地震参考时间，为了对比方便，把EN 1998-1破坏极限要求参考时间转换为50年，对应超越概率PR和重现期TR分别为40%和95年。EN 1998-1标准按照50年参考时间，不同设防目标超越概率PR和重现期TR如表2所示。

式中：TR为平均重现期；TL为参考时间；PR为TL内的超越概率。

表2 EN1998-1标准转换的超越概率和重现期

根据表1和表2对比可知：EN 1998-1标准规定的破坏极限要求高于GB 50011-2010标准规定的多遇地震（小震不坏）；EN 1998-1标准规定的不倒塌要求低于GB 50011-2010标准规定的罕遇地震（大震不倒）。

2 地震载荷计算原理

地震载荷计算方法通常有底部剪力法、时程分析法和振型分解反应谱法等，其中底部剪力法只适用于结构简单的低层建筑，时程分析法特别适用于结构复杂的高层建筑。风力发电机组主要由叶片、变桨系统、轮毂、主轴、齿轮箱（直驱机组除外）、发电机、变流器和塔筒等部件构成。风和叶片是非常复杂的气动流固耦合作用；轮毂、主轴和齿轮箱是一个典型的机械传动系统；塔筒是比较规则的高层建筑支撑系统；变频器和变桨系统需要根据风况调整对风力发电机组的控制。因此，风力发电机组是非常复杂的气动、机械、控制相互耦合的系统。风力发电机组地震载荷计算最好的方法是时程分析法。风力发电机组地震动力学模型如图1所示[3]。

图1 风力发电机组地震动力学模型

时程分析法是直接把地震加速度作用于基础环和塔筒的交接面处，风力发电机组地震载荷计算基本原理如式（2）所示。

其中，[M]、[C]和[K]分别为风力发电机组质量、阻尼和刚度矩阵；{E}为惯性力指示向量；ẍg(t)为地震波加速度时间序列。当风力发电机组模型建立以后，风力发电机组质量、阻尼和刚度矩阵都为确定值。只要能够获得地震波加速度时间序列，那么根据式（2）就可以直接计算出风力发电机组地震载荷。计算地震载荷需要实际地震时间序列，但实际地震波时间序列非常难以获得。

GB 50011-2010和EN 1998-1等标准中都给出了地震响应谱曲线，这个地震响应谱为保证某个地区建筑物地震安全的响应曲线。在某个地区，只要选择抗震设计烈度和场地类型，那么根据地震响应谱曲线设计的建筑物，就可以保证抵御响应设计烈度的地震。根据地震响应谱曲线给建筑物抗震设计带来非常大的便利性。GB 50011-2010标准规定的地震响应系数曲线如图2所示[2]。

图2 地震响应系数曲线

式中：α为地震响应系数；αmax为地震响应系数最大值；Tg为特征周期；η1为直线下降段的下降斜率调整系数；γ为衰减指数；η2为阻尼调整系数。

根据图2确定的地震响应系数曲线乘以重力加速度值，就可以得到地震响应谱曲线。由于地震响应谱不能直接用于时程分析法求解地震载荷，需要随机生成地震加速度时间序列，保证满足地震响应谱曲线，用这样的地震加速度序列进行地震载荷计算。地震加速度时间序列的获得是一个反复迭代的过程，主要步骤如下。

◆计算随机生成地震加速度时间序列响应谱；

◆与一定数量频率点的目标响应谱进行比较；

◆检查是否满足收敛条件；

◆绘制频域图。

每迭代一次，计算一次响应谱，并与目标响应谱进行比较。需要指定设计响应谱任何计算点的可允许偏差的上下限。若所有点在许可范围内则收敛条件满足，迭代结束。若有不满足的点，则按式（3）在时域上进行傅里叶变换[4]。

式中：Vg为时域加速度傅里叶变换；SD

a为目标谱值；Sa为实际谱值。

3 地震载荷算例分析

本文算例采用变速变桨2 MW双馈陆上风力发电机组，采用GB 50011-2010标准规定的Ⅷ度抗震设计。机组和地震参数如表3所示。

表3 机组和地震参数

风力发电机组地震载荷计算，不但需要考虑风力发电机组受到的地震载荷，同时还需要考虑风载荷、重力载荷和惯性载荷等其他载荷，以及风力发电机组运行状态和外部环境因素的影响。地震载荷计算需要同时考虑这些因素，并且选择必须考虑的最小组合工况。地震载荷计算工况如表4所示[5]。

表4 地震载荷计算工况表

根据GB 50011-2010标准要求：保证风力发电机组“小震不坏，中震可修，大震不倒”，通常只需要保证机组“小震不坏，大震不倒”即可，中震要求自然满足。分别计算风力发电机组在多遇地震和罕遇地震情况下主要部件载荷，并且把这些载荷和风力发电机组不考虑地震工况的设计载荷进行对比，载荷对比如表5～表8所示。

表5 叶根载荷对比

表6 轮毂中心载荷对比（轮毂坐标系）

表7 偏航轴承（塔筒顶部）载荷对比

表8 塔筒底部载荷对比

根据表5～表8地震载荷对比可知：多遇地震载荷远小于机组设计载荷，只要机组满足正常设计工况不损坏，那么自然满足GB 50011-2010标准“小震不坏”要求。罕遇地震载荷主要影响塔筒和基础设计，主要表现为塔筒水平剪切力和塔底弯矩的影响，对于偏航轴承以上机舱和风轮部件没有影响。因此，地震载荷对风力发电机组的影响基本为塔筒和基础。地震烈度较大地区安装的风力发电机组需要专门对塔筒和基础这两个部件进行设计校核。

4 结论

本文介绍了风力发电机组地震载荷计算的参考标准，分析了风力发电机组地震载荷计算的基本原理，最后以2 MW陆上双馈风力发电机组为例，分析对比地震载荷对风力发电机组各个部件设计的影响。通过以上分析和对比，可以得到以下结论：

（1）EN 1998-1标准规定的破坏极限要求高于GB 50011-2010标准规定的多遇地震；EN 1998-1标准规定的不倒塌要求低于GB 50011-2010标准规定的罕遇地震。

（2）风力发电机组地震载荷计算建议采用时程分析法。

（3）对风力发电机组设计有影响的主要为罕遇地震，并且罕遇地震主要影响塔筒和基础。建议风电行业能够借鉴EN 1998-1标准规定的不倒塌要求，并且结合GB 50011-2010标准，编制风电专门的地震设计规范，制定合适的罕遇地震要求，降低风电机组建造成本。

[1]刘洁平,李小东,张令心.浅谈欧洲规范Eurocode8－结构抗震设计[J].世界地震工程,2006,22(3):53-59.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.建筑抗震设计规范:GB 50011-2010[S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[3]金鑫,王磊,刘桦.大功率风力发电机地震动力学建模及载荷计算[J].工程力学,2012,29(5):224-229.

[4]Garrad Hassan and Partners Ltd.Bladed theory manual [Z].2010.

[5]Germanisher Lloyd Industrial Services GmbH.Guideline for the certification of wind turbine[S].2010.

Study on Seismic Load Calculation Method for Large Scale Wind Turbine

Wang Qijun，Gao Zhonghua
（Dongfang Electric Wind Power Co.,Ltd.,Deyang Sichuan，618000）

Along with the large-scale development of wind power,the safety of wind turbine has been paid more and more attention. The earthquake has occurred occasionally in recent years.Due to the unpredictability and strong destructiveness,the safety of wind tur⁃bine in earthquake must be considered in design.The seismic design criterias of wind turbine are introduced and the principles of seismic load calculation are analyzed in this paper.Eventually,according to the onshore 2 MW double-fed wind turbine,the effects of seismic load on the design of wind turbine components are analyzed,which provide reference experience for wind turbine seismic load calculation.

wind turbine，seismic design criteria，principle of seismic load calculation

TK83

A

1674-9987（2016）04-0060-04

10.13808/j.cnki.issn1674-9987.2016.04.013

基金编号：四川省科技支撑计划项目资助（2014GZ0084）。

王其君（1982－），男，硕士，工程师，主要从事风力发电机组设计研究工作。