单桩式海上风电塔筒结构振动能量分布特征研究

和庆冬，刘 强，金 波

(1.国家电投集团江苏海上风力发电有限公司，盐城 224399；2.浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州 310014；3.中国海洋大学 工程学院，青岛 266110)

0 引言

为实现清洁能源供应、碳达峰和碳中和这一全球远景目标，海上风能资源开发被优先考虑[1，2]。然而，由于众多前期所建设的风机逐渐进入服役寿命后期，加之海上恶劣的环境，制造商、业主和经营者十分关注振动监测来评估海上风电结构的可靠性，同时减少运行和维护费用[3]。业内在叶片和机舱方面的振动监测研究已经大量开展[4]，同时对于塔筒和基础结构进行振动监测的兴趣逐渐增加。塔筒和基础在支撑叶片、集线器和吊舱等发电部件以及抵抗叶片产生的风荷载方面发挥着重要作用，其振动变化规律和能量分布特征对整体结构安全至关重要。

近年来，基于现场原型观测的测试方法与监测技术日渐成熟，对振动数据的研究多集中于结构动态参数识别，在模态识别方面，Lian等[5]在VMD（Variational Mode Decomposition）的基础上在提出了一种引入指标列来判断分解精度的方法，从而自动确定模态阶数。Liu等[6]针对海上高能噪声污染的信号引入了状态空间模型，在信号分解过程中引入了迭代噪声提取和消除方法，进一步改善了模态混叠问题，提高了模态参数的识别精度。对于长期监测数据，Kusiak等[7]利用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统收集的数据集，从时域和频域两个不同的角度对风机振动数据进行了分析，利用统计分析和神经网络等多种算法对多种参数和塔架振动的关系进行了研究。董霄峰等[8～10]在长期原型观测的基础上，获得了中国某海上风电原型在不同工况下的结构振动位移信号，针对海上风电机组复杂的运行环境，重点讨论了静止、正常运行、启动、停机和极端台风状态下的结构响应规律和振动安全性，此外还对不同运行工况下诱发结构振动的振源进行全面识别与分析。Zhao等[11]对一台1.5MW风力发电机组的运行状态和塔架的振动响应进行了长时间的监测，详细讨论了风力机在不同工况下的振动特性和一阶、二阶模态参数与风力机运行条件的关系，发现额定转速工况下的振动水平最高。彭潜[12]利用近1年的实测数据对江苏某近海风电场的一台单桩式风机的健康状态进行评估，监测内容包括腐蚀、倾斜、应力、土压力和振动，并给出了风机的安全程度。

综上所述，业内对单桩式海上风电塔筒结构的振动变化规律和能量分布特征还缺少针对性的研究。本文基于OpenFAST数值模拟结果和现场测试得到的振动监测数据，考虑坐标变换和湍流风场，对不同环境荷载和风机运行状态下的风机动力响应特性进行相关性分析，研究了数值风机和实际风机结构在典型工况下的振动变化规律和能量分布特征，并结合时频特性对该现象进行了解释。

1 OpenFAST数值风机模拟

以国家可再生能源实验室（NERL）公开的5MW单桩式海上风机为例进行了数值模拟研究。利用TurbSim模拟了OpenFAST所需的湍流风场，采用IEC标准模型的Kaimal风谱。施加的波浪荷载根据江苏如东近海海洋环境资料中的平均风速对应的波浪工况进行，采用JONSWAP谱。参照海上实测的测点分布，提取FAST在相对基础顶5个高度（Level1(+0m)、Level2(+15m)、Level3(+42m)、Level4(+70m)、Level5(+83m)）处的加速度数据，湍流风场和测点选取位置如图1所示。

图1 基于TurbSim模拟的湍流风场和测点选取位置

1.1 振动特性

本文共模拟了10种不同平均风速工况（5～23m/s）下的结构响应，每种平均风速下模拟时长为1200s。以风机额定风速为11.4m/s的工况为例，各测点在机舱前-后（FA）和侧向-侧向（SS）方向上的加速度时程曲线如图2所示（选取100～110s的数据用作代表）。由图2可知，湍流风场的使用较好地模拟了加速度的波动情况，最大加速度为0.08g，机舱FA方向的加速度幅值明显大于SS方向的值，同时，即便是在加速度时程曲线中，也能够明显观察到Level 5较Level 3（塔筒中部），Level 4处的波动幅度要小。

图2 不同测点处加速度响应

1.2 风-加速度相关性

提取各测点加速度30s内极值和对应平均风速，各位置处加速度极值及其风速区间分布的关系图如图3所示。由图3可知，在FA方向（图3(a)、图3(b)）和SS方向（图3(c)、图3(d)）上，加速度极值都随着风速的增大而线性增大，在0～6m/s的风速范围内，Level 5处的加速度极值与Level3，4处的值十分相近，在其余风速范围内则呈现明显差异；同时，FA和SS方向合成加速度极值分布（图3(e)、图3(f)）也和上述两个方向一致，散点图表明这3处的加速度极值相互交叉出现，存在塔筒中上部加速度大于塔筒顶部加速度值的现象。

图3 OpenFAST各位置处加速度极值及其风速区间分布

对OpenFAST模拟的6～9m/s风速下不同位置处总加速度数据进行时频分析，如图4所示。Level 5处的加速度3p频率成分能量显著，1阶固有频率成分占比较低，如图4(a)所示；同样地，在图4(b)中，Level 3处的加速度时频图中2阶固有频率成分能量显著，3p及1阶固有频率成分占比较低。而在海上风机的模态特性中，1阶模态往往会引起顶部较大的加速度，2阶模态则会引起塔筒中上部较大的加速度。

图4 不同位置加速度频谱特性（6～9m/s）

2 海上风电结构实测振动监测概况及数据分析

为进一步研究实际海上风电结构的振动能量分布，对江苏如东某近海风电场的一台单桩风机进行了研究。江苏如东某近海风电场区中心点离岸约44km，海底高程-2.12 m～-14.15m（1985国家高程基准），东西方向平均长约6.5 km，南北宽约5.7km，规划面积约37km2，共安装50台单机容量为4MW的风电机组，总装机规模200MW。振动监测在其中一台单桩风机上进行，风机现场图片及传感器布置、方位图如图5所示。该风机轮毂中心高度为95m，叶轮直径为146m。2台风速仪被布置在相对的两侧以考虑塔筒的遮挡效应，5个加速度传感器沿塔筒竖向布置，其布置高度相对于标准海平面为Level1(+13m)、Level2(+25m)、Level3(+58m)、Level4(+79m)、Level5(+93m)，风速仪和加速度的采样频率均为200Hz。

图5 风机现场图片及传感器布置、方位图

考虑到机舱旋转造成的影响，安装在塔筒上的传感器测得的响应会有变化，因此，有必要根据SCADA提供的偏航数据进行坐标转换，以便这些信号将遵循由FA和SS方向定义的机舱坐标系方向，转换方式如式(1)所示：

其中x′，Y′为机舱(移动)参考坐标，x，Y为塔筒（固定）参考坐标，t为时间变量，θ为塔筒传感器参考方向和机舱方向之间的角度。

2.1 振动数据统计分析

选取监测期间两段时间6/24～6/29日和7/24～7/29日以保证分析数据中有丰富的风速和加速度波动信息，同时保证两段时间的潮位水平一致，6/24～6/29日风速在1～14 m/s范围内波动，7/24～7/29日风速在10～29m/s范围内波动。各测点每10分钟加速度极值的变化如图6所示，各测点在机舱FA方向的振动幅值明显大于SS方向，图6(c)为两个方向加速度的叠加，可以看出，较高的加速度值不是发生在塔顶（Level 5），塔筒中部（Level 3）加速度极大值在大部分时间内都超过了塔顶传感器

图6 加速度极值-时间序列变化

2.2 加速度极值-风速相关性

由于风激励是影响海上风机的响应的主要因素，因此，图7给出了各传感器的加速度极值及其风速区间分布关系图。首先，在FA方向（图7(a)、图7(b)），整体上加速度极值随着风速呈现先增大再微弱减小再增大的趋势，在风速为3～9m/s时，Level 5处的加速度极值较Level 3位置处偏小，各测点加速度极值随着风速的增大线性增大；风速为9～15m/s时，各测点加速度极值随着风速的增大而减小；而在风速为15～20m/s时，各测点加速度极值随着风速的增大而又呈现增大的趋势。其次，在SS方向上（图7(c)、图7(d)），Level 3处的加速度极值要明显大于其余位置处，整体上加速度极值随着风速呈现先增大再减小再增大的趋势。由于FA方向为主振方向，图7(e)、图7(f)所示的FA和SS方向合成的加速度极值及其均值-风速呈现的规律与图7(a)、图7(b)相似，除3～9m/s Level 5加速度极值小于Level 3外，其余风速段内Level 5和Level 3，4的有效值十分接近。可以看出，总体上加速度极值随着风速的增长而增大，在风速为10～15m/s左右时，叶片桨距角的调整使得风机的振动水平呈现明显降低，呈现“波谷”状。

图7 各传感器的加速度极值及其风速区间分布

针对上述现象，对6～9m/s风速下不同位置处的总加速度数据进行时频分析，如图8所示。在图8(a)中可观察到Level 5处的加速度3p频率成分能量显著，1阶固有频率成分占比较低，在图8(b)中，Level 3处的加速度2阶固有频率成分能量显著，3p及1阶固有频率成分占比较低，与数值模拟研究的结论相一致。

图8 不同位置加速度频谱特性（6～9m/s）

3 结语

本文基于数值模拟得到的加速度数据以及现场测试得到振动监测数据和SCADA数据，对单桩式海上风电塔筒结构振动能量分布特征进行了研究，在对数值模拟结果和长期监测数据进行相关性分析的基础上，研究了风机结构在典型工况下的振动分布特征和变化规律，可得出如下结论：

1）实测数据表明，单桩式海上风电塔筒结构振动能量分布特征和变化规律受环境荷载变化影响，在不同风速区间内其分布特征稍显不同。

2）对数值模拟和实测数据合成加速度的时频分析表明，塔顶处的加速度3p频率成分能量显著，1阶固有频率成分占比较低，塔筒中部处的加速度2阶固有频率成分能量显著，3p及1阶固有频率成分占比较低；

3）对OpenFAST数值模拟和实测数据的相关性分析表明，海上风电塔筒结构在服役过程中存在塔中加速度值大于塔顶处的现象，工程中对塔筒中部的疲劳强度应予以特别关注。