基于实测数据的海上风机结构动力反应特性研究

基于实测数据的海上风机结构动力反应特性研究

张凤阳1

（ 1. 北京京能清洁能源电力股份有限公司， 100028）

摘要：随着全球能源日益紧张和环境问题日益突出，海上风电的发展成为了全球新能源发展的重要方向。本文以江苏滨海北区H1#风电场为研究对象，基于现场原型观测获取海上风机在运行状态的结构基础应力以及结构振动响应数据，开展运行状态下海上风机结构安全评价，分析影响结构安全的主要因素，探讨运行状态下结构振动响应的变化规律。监测结果较好的反映了该地区海上风机动力响应变化规律。结果表明，结构基础应力和塔筒结构振动响应对海上风机安全运行的结构动力特性有着显著的影响，因此，有必要建立基于实测数据的海上风机结构安全评价体系。

关键词：海上风机；动力特性；实测数据；安全评价

Research of Dynamic Characteristics of Offshore Wind Turbines based on Recorded Data

Zhang Fengyang

(Beijing jingneng Clean Energy Chaoyang District,Beijing 100028 ,The PRC )

Abstract: In order to solve the increased global energy shortage and the environmental problems, the offshore wind power became an important direction for the development of global renewable energy system. Based on the real-time measured system, the substructure stress and structural motions of offshore wind turbines (OWT) under stochastic environmental loads are obtained, and the safety assessment of OWTs is carried out. Then, the variation of structural responses of an operation OWT is analyzed, the dominant factors which influence the safety of the integrated structure are discussed. According to the performed research, it can be seen the significant influence of the recorded substructure stress and tower motions on the safety of an operation OWT, the safety evaluation systems for OWTs based on recorded data should be established.

Keywords: Offshore wind turbines; Dynamic characteristics; Recorded data; Safety assessment

中图分类号：TK8 文献标识码：A

0 引言

随着对气候变化和环境问题的日益关注，海上风电凭借其低能耗，高风速，高产出等优点得到了飞速的发展^[1]。中国作为海洋大国，有着7.5亿千瓦的风能资源，从辽宁到山东，再到江苏，广东都蕴藏着丰富的风能资源。然而海洋环境的复杂与多变性对海上风机在运行过程中的结构振动安全提出了挑战。因此，开展复杂环境荷载下的海上风机振动响应研究具有重要的意义。

国内外学者通过数值模拟的方法对海上风机动力特性及振动响应开展研究。Bazeos等^[2]分别采用精细化和简化的有限元风机模型，研究风机塔筒的振动特性，得出了有限元分析对屈曲荷载和特定位置应力的预测有着显著的关联性。Brasil等^[3]认为叶片质量不平衡是导致共振的激励源，把风机系统理想化为一个单自由系统，在数值模拟结果中观察到了Sommerfeld效应。Staino 和 Basu^[4]提出了一种柔性转子与塔架相互作用的数学模型，推导了考虑转子转速的风机运动方程，研究了转速变化对叶片振动的影响，并提出了减小叶片振动的控制方案。陈法波^[5]将转子机舱组建简化为集中质量，并将空气动力荷载转化为风机荷载，研究了不同随机风、浪作用下三桩海上风机的动力响应。莫继华

^[6]建立了包含风机转子-机舱-塔筒-基础的海上风机整体以及半整体耦合模型，对比随机荷载作用下的结构动力响应。褚炜樑^[7]建立了海上风机整体耦合模型，开展随机风-浪作用下风机动力响应计算，揭示风机在随机风-浪作用下的振动响应机理。

由于海洋环境的复杂多变，风荷载与风机结构的耦合机理也相当复杂，数值仿真很难完全考虑到结构的非线性问题。近年来，随着监测系统和测试技术的日渐成熟，基于实测数据的海上风机动力特性及振动安全研究迅速发展。Kusiak等^[8]通过对两台风机进行时域和频域分析，以说明结构振动与识别反馈之间的关系。Bassett等^[9]基于2.3MW海上风机，监测风机在停机和运行状态下的加速度响应，通过小波分解研究其振动特性，发现与停机状态相比，风机在运行状态有着不同的振动特性。马人乐^[10]基于随机振动和系统识别理论，对内蒙古三座风电机组运动响应开展实测记录，提出了风机整体耦合建模方法。数值模拟与实测结果表明，风电机组可以有效地避免共振。成立峰^[11]通过提取大量的风机监测与数据采集系统（SCADA）的数据，系统地研究了风湍流强度，叶片转速对风机振动的影响，为风机的运行状态评价提供了依据。Schlechtingen等^[12]基于SCADA提出了一种自适应神经模糊推理系统模型，以便对各类风机信号进行实时监测。Hu等^[13]对5MW海上风机进行了长达两年的现场测试，通过获取的动态信号，结合环境因素以及风机运行因素开展海上风机振动特性研究。姚兴佳^[14]通过对5MW海上风机长期现场观测发现结构的动力特性和振动随着风机叶片转速的变化而改变。

为深入开展风机桩基础-塔架结构体系的动力反应特性研究，在江苏滨海北区风电场试验风机的基础、塔架分别设置多个测点，安装结构振动监测仪器。基于海上风机实测相关数据，分析运行状态下风机结构振动的变化规律。

1 工程概况

为开展运行状态下海上风机桩基础-塔架结构体系振动特性的深入研究，在江苏滨海北区试验风机的基础、塔架不同位置安装多套振动监测仪器，进行了长期的桩基础-塔架结构体系振动监测。测试所用的江苏滨海北区H1#风电场位于滨海北部中山河口至滨海港之间的近海海域，滨海港水域港界西北侧，占海域面积20km²，风电场中心离岸距离7.5km，布置有25台4 MW风力发电机组，水深在7-13m之间。4 MW风力发电机可以实现变桨变速控制，由塔筒、基础、机舱、轮毂、叶片及电器系统组成，转子直径136m，轮毂高度90m，基础采用单桩式基础形式。

根据工程区域的地质条件，本风电场在25台风机中选择14#、18#以及25#风机作为重点监测机位，如图 1所示，开展风机基础应力应变以及振动响应等监测。

图 1风电场风机总平面布置图

2. 监测系统布置方案及传感器技术参数

2.1 监测系统布置方案

本次监测选取不同的监测机位，在桩基础内壁或塔筒内壁布置钢板应力计、双向加速度计分别测试结构基础应力、结构振动响应，如图 2所示。在安装时，先将仪器支座固定在基础钢管桩或塔筒内壁，冷却后将仪器安装固定在支座上，并在仪器外部用防水密封保护箱进行保护。钢板应力计、双向加速度计技术参数如表 1所示。

结构基础应力监测采用14#、18#以及25#风机的桩基础内壁自下至上在高程6.5m和10.2m以主风向SSE为基准沿环向间隔90°方向各布置一支钢板应力计的方式。结构振动响应监测采用14#、18#以及25#风机的桩基础内壁或塔筒内壁自下至上在高程10.2m、25.5m、50m以及74.5m四个位置沿主风向SSE各布置一组双向加速度计的方式，其中一个加速度计沿主风向，另一个加速度计垂直于主风向。海上风机主要监测仪器设备布置方案如表 2所示。

图 2 传感器布置方案

表 1 传感器技术参数

表 2 海上风机主要监测仪器设备布置方案

2.2 实测数据理论分析方法

传统的频谱分析可以显示时程信号的频率分布，以及时程信号在相应频率上的幅值和相位变化。本文采用被广泛采用的短时傅立叶变换（STFT）进行数据分析处理。STFT是一种常用的时频域分析方法^[15]，基本思想是通过窗函数来获取信号，假定信号在窗内是平稳的，对其进行傅立叶变换可以获得频域信息，以确定窗口存在的频率成分。然后沿着信号时间轴移动窗函数，就可得到信号频率随时间变化的关系，从而得到信号的时频分布。信号x(t)的短时傅里叶变换可以表示为：

（1）

式中，s(t)为信号时程，*代表序列的复共轭， 为基函数，t为时间，

为角频率。对于离散序列信号x(n)，其在n时刻的短时段数据可定义为：

（2）

式中， 为窗函数，呈中心对称形式。

离散序列信号x(n)的傅里叶变换可以表示为：

（3）

3. 实测数据处理分析

选取海上风机C-01到C-05测点开展数据处理分析，值得说明的是，由于25#风机在测点C-05数据错误，故采用C-08测点替代。基础结构应力时程统计值如图 3所示。14#风机桩基础结构应力增量在-37.14MPa-22.47MPa间波动，18#风机桩基础结构应力增量在-37.23MPa-22.44MPa之间变化，14#风机与18#风机应力增量变化范围极为接近，最大值仅相差0.03MPa。25#桩基础结构应力增量最大值为27.11MPa。随着14#到25#风机的位置变化，各风机月平均值的峰值显著增加，分别为-1.42MPa、1.04MPa、3.1MPa。由图 3可知，观测期内14#、18#、25# 监测风机的最大基础结构应力幅值分别出现在C-07测点，C-05测点，C-02测点。25#监测风机的基础结构应力幅值最大，14#监测风机次之，14#和25#风机分别与18#风机相差2.89和4.67MPa。基础结构的应力均较小，表明基础处于稳定状态。

图 4给出了不同监测风机运行状态下结构基础应力的最大值、最小值变化规律。基于不同测点最大值和最小值的分布规律进行线性拟合可知，从14#到25#监测风机，基础结构应力最大值和最小值依次增加。线性拟合斜率分别为1.195和0.088，这说明相比于最大值变化规律，最小值的递增趋势可忽略，说明基础结构的应力变化范围较小。

海上风机结构振动加速度时程统计值如图 5所示。监测风机14#，18#，25#的基础及塔筒振动加速度峰值总体较小，塔筒的振动加速度由下自上逐渐增大，风机测点所受到的加速度响应差异较小。由表 3对比可得，14#风机在基础顶部所受加速度幅值最大，为0.575m/s²，18#风机在第三段塔筒顶部所受加速度幅值最小，为0.942m/s²。基础及塔筒振动加速度幅值均在安全评价允许范围内，满足风机安全运行标准。由图 6可知，观测期内14#和25# 监测风机的结构加速度响应幅值都出现在AT-04测点，18#监测风机结构加速度响应则位于AT-03测点。25# 监测风机的结构加速度响应幅值最大，14# 监测风机其次，相比于25# 风机，各监测风机的结构加速度响应幅值相差不大。此外，由图 7对比可知，基础和塔筒的加速度最大值、最小值变化规律有明显不同，说明风向、风力以及风机运行等因素对塔筒的影响大于基础。

海上风机结构在运行状态下振动的主要频域特性具有显著的变化规律。对测点AT-01，AT-02，AT-03和AT-04通过频谱分析可以得到自功率谱曲线，14#风机各测点的自功率谱曲线如图 8所示。由于本次监测中，海上风机主要受到以风荷载为主的环境激励影响，监测风机基础与塔筒整体在一阶固有频率上体现为0.35-0.375Hz，同时也会体现转子转动频率的相关信息，固有频率均在在振动安全评价范围内。风机塔筒顶部与基础顶部测点振动响应具有很好的同步性，基础顶段、塔筒段中段以及塔筒上段的振动加速度变化规律以及振动频率均一致，说明整体风机结构整体变形协调性较好。

海上风机运行状态安全评价参数如表 4所示，由表可知，基础应力最大值出现在25#风机的C-02测点，为27.11MPa，远远小于允许值280MPa，基础应力指标处于安全评价范围。海上风机自振频率监测数据为0.375Hz，满足海上风机结构在运行状态下振动响应安全评价。综上所述，目前风机的运行状态平稳，基础与塔筒结构处于安全状态。

表 3 风机振动加速度测值统计表

表 4 风机运行状态安全评价

（a）加速度最大值 （b）加速度最小值

图 7 不同风机基础以及塔筒振动特性的影响

图 8 14#风机各测点振动加速度功率谱

4. 结论

本文以江苏滨海北区海上风电机为研究对象，以监测的基础应力和结构振动监测数据，系统的开展海上风机在运行状态下的动力反应特性，可得出如下结论：

三台监测风机14#、18#、25#在风向、风力以及风机运行等因素作用下基础结构应力随着基础的振动均在-39.65MPa-27.11MPa之间波动，以25#风机的C-02测点响应最大。相比于25#风机的C-02测点响应，其他两台监测风机基础结构的应力较小，均远小于基础应力允许值，基础处于稳定状态。

三台监测风机基础与塔筒的振动加速度最大幅值均较小，振动幅值均在安全评价允许范围内，满足风机安全运行标准。风机塔筒顶部与基础顶部测点振动响应具有很好的同步性，频域上也呈现出相似的振动变化规律，基础与塔筒整体的一阶振动频率在0.35-0.375Hz，说明风机结构整体变形协调性较好。由此可见，基础应力指标以及结构振动响应在海上风机安全运行评价中有着显著影响影响，有必要建立基于实测数据的海上风机结构运维及安全评价体系。

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1收稿日期：

作者简介：张凤阳（1970—），男，辽宁鞍山人，高级工程师，学士，主要从事风电等新能源工程技术研究。