目前风电机组塔架减振控制技术分析

王雍 张新 张五泉

摘 要：当前部分风电场风电机组塔架减振控制问题突出，分析普通高耸结构的减振控制技术特征和运用于风电机组的可行性，根据风机塔架结构与运行自身特性，对减振技术研究方向提出适应性要求，为工程技术研究提供借鉴。

关键词：风电；塔架；振动；控制

中图分类号：TM614 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）21-0133-02

风力发电因清洁无污染、单机容量大、经济效益好等优点，已成为目前最具发展潜力的新能源之一。近年来风电机组单机容量越来越大，平原和山地风电场采用2.5MW或3MW机组比比皆是，塔架的高度也越来越高，而塔架受加工、制作、运输等因素限制，直径有限，塔架自振频率因而相对降低，对风荷载愈发敏感，振动问题更加严峻。振动引起的疲劳损伤积累对塔架十分不利，特别是目前国内不少风电场发现部分风机基础施工质量等出现问题，风机在大风速运行时塔架摆幅较大，风机主体结构安全性受到较大影响，研究振动控制技术，减小塔架在外部激励下的动力响应，显得十分重要。

1 风机振动控制装置的研究现状

风电机组塔架摆幅过大时，极端荷载工况下工程安全性问题更为突出。目前很多学者对风机塔架的振动控制研究多数采用被动控制方法，少数学者针对主动控制方法和半主动控制方法进行了研究。

1.1 被动控制方法

高层建筑和高耸结构中普遍采用的调谐质量阻尼器（TMD）主要为支撑式和悬吊式两种形式。支撑式只能在一个或者两个垂直方向上移动，无法实现伴随风力发电机的偏航对风而同步旋转调向。针对这一问题，黄亮[1]设计了一种可以随风向主动对向调整的支撑式TMD，该装置需在风机上端塔架内设置可旋转平台，依靠旋转调节装置驱动平台上的质量块随风机偏航同步旋转。Argyriadis和Hille[2]提出在塔架顶部设置浸在阻尼油中的悬吊式TMD来减小塔架的振动，并分析了阻尼器在不同风速情况下的减振效率，驗证了该方法的可行性和有效性。Colwell和Basu[3]提出采用调谐液阻尼器（TLD）对于风机进行振动控制，并采用数值分析方法研究了阻尼器的振动控制效率，数值分析结果表明TLD振动控制效果良好。李杰等利用粘弹性材料的剪切变形耗能特性设计了贴壁差动式粘弹性阻尼器，当塔架受外荷载作用发生弯曲变形时，装置内部的粘弹性材料将产生剪切变形进而将能量耗散或转化为热能（图1）。马人乐[4]设计了一种钟式减振器，利用质量块与主结构反向摆动，将惯性力施加在主结构上，削弱结构振动。Chen（同济大学陈俊岭）和Georgakis[5]基于TMD原理设计了一种新型的球面容器阻尼器，通过容器内钢球滚动或液体振荡耗散能量，振动台试验结果表明，当容器内钢球或液体质量为塔架一阶模态质量1.5～2.5%时，阻尼器可使试验模型在不同工况下的动力响应减小20%～46%（图2）。

1.2 主动控制方法

主动控制装置一般含有作动器和重物，故而体积较大，且造价较高。为了将主动控制方法应用在风力发电机组上，若狭强志等[6]设计了一种改进后的主动式减振方法，该方法利用加速度计、倾角控制机构、加法装置和速度推算装置等代替传统的重物和驱动重物的作动器，根据加速度计的实时数据反馈，计算出减小振动所需的叶片桨距角变化，并通过叶片桨距角的实时变化达到减小振动的目的。

1.3 半主动控制方法

对于风电机组半主动控制方法的研究主要集中在叶片的减振上。Arrigan等[7]提出了在叶片尖部和机舱加设半主动调谐质量阻尼器（STMD）来控制叶片的挥舞。通过对湍流和稳流两种风载状态下减振效果的分析，发现加设该装置后风机系统和叶片的振动均减小。

2 风机塔架振动控制装置的要求

风力发电塔架作为高耸结构的一种形式，在振动控制技术方面可以借鉴已有高耸结构的振动控制方法。很多学者采用数值分析或者室内试验的方法研究了结构振动控制技术对减小风机振动的可行性，被动控制方法主要针对塔架采取技术控制措施，主动或半主动控制法主要针对风机叶片采取技术控制措施，总体来说，大部分学者提出的振动控制装置还停留在理论和概念设计层面，由于安装条件所限，在实际工程中的应用受到很大限制。TMD是目前在塔式结构振动控制中应用较广泛的一种被动控制装置，一般由附加的惯性质量、阻尼器和弹簧组成，因构造简单、易安装、维护方便、经济实用、可靠性高、不需要外力作用等特点具有优势。但是，对于大型风电机组来说，塔架的一阶模态质量一般高达数百吨，TMD系统的质量达到一阶模态质量的1～2%以上时才会取得比较明显的减振效率。而风机塔架运行时自身振动较大，与普通高耸建筑在结构形式、振动特性和受荷特点等方面差异较大，传统的TMD减振装置由于安装条件的限制无法直接用于风电机组。因此，适合风电机组的振动控制装置应在借鉴已有结构振动控制理念的基础上，还要结合风力发电机组自身的结构特性和工作原理进行研究改进。对振动控制装置的要求应具有以下特点：

（1）振动控制装置应适应不同的荷载工况。脉动风、叶片转动以及叶片与塔架的耦合振动导致风机塔架的振动非常复杂。因此，风力发电机组在启动、正常工作、停机以及极大风速等不同工况下的振动特性有很大差异，阻尼器的设计需要适应不同的荷载工况，有效减小不同荷载工况下风力发电机组的动力响应。

（2）振动控制装置应具备方向的适应性。风机运行时机舱会根据风向自动偏航，振动方向随之改变，要求振动控制装置的作用方向能适当跟踪风力发电机组的振动方向，以便充分发挥减振作用。对于少数因风机基础质量问题造成风机塔架摆动较大的情况，如果地区主风向比较明显固定，也可以着重研究满足主风向大风速工况下的塔架减振技术，降低方向性的适应要求，使问题得到一定的简化。

（3）振动控制装置应适应风机塔架的内部空间。风机塔架内有电缆、安全绳索、爬梯、平台等配件，机舱内有齿轮箱、发电机和刹车装置等设备，可用空间有限。因此设计振动控制装置时要考虑上、下运输的可行性，幷能根据风机内平台的可利用空间，灵活布置。

（4）振动控制装置应力求做到模板化，具有良好的经济性，以满足不同型号风机的需求，便于大批量生产和投入使用。

根据风力发电塔架的实际条件和目前塔架减振技术成果来看，目前同济大学陈俊岭等提出的一种安装在塔架顶部平台和机舱内空间的多层球面直壁滚球阻尼器，通过对容器半径和滚球半径和数量的合理设计，使滚球的滚动频率和结构的振动频率调谐实现减振，减振效果明显，已应用于多个风电场工程。

3 结语

综上所述，由于风电机组作为一种发电设备，风力发电塔架在结构形式、振动特性等方面不同于一般的高层建筑和高耸结构，传统的阻尼器装置对于风力发电塔架不具有直接应用和安装可行性。因此，需要工程界和研究单位进一步根据风机塔架和机舱内的可利用空间，开发适应不同的荷载工况、有一定方向适应性和良好经济性的振动控制装置，高效、经济地降低风力发电塔架的振动，特别是对于存在施工质量问题风电机组，如何进一步减小风机塔架的振动摆幅，提高风机运行安全性，成為风电行业急需解决的问题。

参考文献

[1]黄亮.风机用调谐质量阻尼器减振控制装置[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]马人乐.风力发电塔钟式减振器[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]若狭强志，井手和成，林义之等.风力发电装置及其主动式减振方法以及风车塔架[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.