海上風(fēng)電機(jī)的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

吳金城，張容焱，張秀芝

(1．浙江風(fēng)力發(fā)電發(fā)展有限公司，杭州 310008;2．福建省氣候中心，福州 350001;3．國家氣候中心，北京 100081)

1 前言

近年來，風(fēng)力發(fā)電在我國飛速發(fā)展，每年的新增裝機(jī)容量都超過100%，北至黑龍江、南到海南島，東起浙江、西臨新疆阿拉山口，幅員廣闊的神州大地興起風(fēng)電開發(fā)高潮，投運(yùn)的風(fēng)電機(jī)組也從10年前的單機(jī)600 kW迅速發(fā)展為陸地1．5 MW、海上3 MW為主的兆瓦型風(fēng)電機(jī)組。然而，相對于我國遼闊國土和氣候差別巨大的環(huán)境特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造與市場的需求有一定的差距。

當(dāng)今國內(nèi)外風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)都依據(jù)相關(guān)的專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以確保風(fēng)電機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境條件下能持續(xù)可靠運(yùn)行。受市場發(fā)展先后的影響，這些標(biāo)準(zhǔn)大多起源于歐洲國家，以歐洲的氣候環(huán)境特征為主要依據(jù)，并未考慮熱帶氣旋的影響，根據(jù)這樣的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)很難保證在臺(tái)風(fēng)地區(qū)也能可靠運(yùn)行。當(dāng)然，在不計(jì)成本的前提下設(shè)計(jì)一臺(tái)抗強(qiáng)風(fēng)的風(fēng)電機(jī)組并非難事，難的是為可能遭遇臺(tái)風(fēng)的風(fēng)場設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)可行的風(fēng)電機(jī)組。IEC制定的設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61400－1是目前得到廣泛認(rèn)可的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之一，2001年我國出版的《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求》(GB18451．1－2001)等同采用了IEC61400－1:1999《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求》，為了簡化風(fēng)電機(jī)技術(shù)規(guī)格并提高標(biāo)準(zhǔn)的可用性，標(biāo)準(zhǔn)定義了一系列標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)況，并據(jù)此將風(fēng)電機(jī)分類。輪轂高度處的年平均風(fēng)速、湍流強(qiáng)度和極端風(fēng)況是標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行風(fēng)機(jī)分類的三類主要參數(shù)。但問題是標(biāo)準(zhǔn)定義的外部環(huán)境和極端情況不適合臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)場，所以，IEC61400－1明確說明:標(biāo)準(zhǔn)定義的風(fēng)況I，II和III既不適合海上風(fēng)場，也不適用于臺(tái)風(fēng)影響下的風(fēng)場。因此，不能指望依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的風(fēng)電機(jī)在臺(tái)風(fēng)中有足夠的可靠性。近些年，一些風(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)影響過程中出現(xiàn)的問題足以說明該標(biāo)準(zhǔn)的不足。

我國東南沿海是風(fēng)能資源豐富區(qū)，適宜進(jìn)行風(fēng)電開發(fā)，2009年第一個(gè)100 MW級海上風(fēng)電場已在上海安裝投運(yùn)。但是，這一地區(qū)夏季常受臺(tái)風(fēng)影響，以浙江為例，1949―2007年的59年中，出現(xiàn)影響臺(tái)風(fēng)182個(gè)，平均每年3．1個(gè)，最多的年份1年有6個(gè)臺(tái)風(fēng)。自1997年浙江省規(guī)?；_發(fā)風(fēng)電以來，共有23個(gè)臺(tái)風(fēng)影響浙江省，而其中對風(fēng)電設(shè)備造成百萬元以上破壞的有8個(gè)臺(tái)風(fēng)，千萬元以上損失的有兩個(gè)臺(tái)風(fēng)。2003年9月2日，登陸廣東省的“杜鵑”臺(tái)風(fēng)也造成汕尾某風(fēng)電場損失上千萬元。而且，隨著新建風(fēng)電場單機(jī)容量的增加，特別是海上風(fēng)電場，一旦發(fā)生臺(tái)風(fēng)災(zāi)害，其破壞程度將愈加嚴(yán)重。因此，制定適合我國及東南亞風(fēng)況特色的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)和制造有抗臺(tái)風(fēng)能力的風(fēng)電機(jī)組，對我國東南沿海的風(fēng)電開發(fā)尤為重要。

2 臺(tái)風(fēng)過程的風(fēng)特征

這里所談的臺(tái)風(fēng)概指中心附近最大風(fēng)力在12級以上的熱帶氣旋。臺(tái)風(fēng)影響過程與冷空氣大風(fēng)相比有3個(gè)不同特點(diǎn):極端風(fēng)速、異常湍流和突變風(fēng)向，這些因素是設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)娘L(fēng)電機(jī)組在臺(tái)風(fēng)中易受破壞的主要原因。

2．1 極端風(fēng)速

臺(tái)風(fēng)是一個(gè)低氣壓系統(tǒng)，在水平氣壓的作用下，外圍氣流從四面吹向臺(tái)風(fēng)中心，在赤道以北受地球自轉(zhuǎn)的影響，卷入的氣流以逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，越向臺(tái)風(fēng)內(nèi)部旋進(jìn)，切向風(fēng)速也越大。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過地區(qū)，氣壓曲線呈漏斗狀，伴隨著氣壓的陡降陡升，風(fēng)向會(huì)從東北風(fēng)突變?yōu)槟巷L(fēng)和西南風(fēng)。通常臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼邊緣寬度10～20 km的云墻區(qū)是臺(tái)風(fēng)破壞力最猛烈、最集中的區(qū)域，而臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右前方風(fēng)力最為強(qiáng)大。隨著臺(tái)風(fēng)中心的靠近，各高度風(fēng)速逐漸增大，在風(fēng)眼經(jīng)過時(shí)，風(fēng)速會(huì)突然大幅度減小，10～30 min后(取決于臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼大小和移動(dòng)速度)風(fēng)速又突然增大，然后隨著臺(tái)風(fēng)的離去慢慢減小。通常，臺(tái)風(fēng)風(fēng)眼到達(dá)前一刻的北風(fēng)強(qiáng)度最大，2006年的桑美臺(tái)風(fēng)于8月10日17時(shí)25分在閩浙交界處沿海登陸，位于臺(tái)風(fēng)中心附近偏北處的浙江蒼南風(fēng)電場倒塔的5臺(tái)風(fēng)電機(jī)都是在這一刻被北風(fēng)吹倒的。在桑美臺(tái)風(fēng)中心登陸過程中，氣象站10 m高度的3 s平均極大風(fēng)速為68 m/s，而當(dāng)?shù)仫L(fēng)電場蒼南測風(fēng)塔(見圖1)45 m高度10 min平均最大風(fēng)速為60．1 m/s、極大風(fēng)速為81．1 m/s，這些數(shù)據(jù)都是測風(fēng)塔倒塔前測的數(shù)據(jù)，真實(shí)風(fēng)速可能還要大。作用在物體上的風(fēng)載荷與風(fēng)速平方成正比，可以想象臺(tái)風(fēng)過程中出現(xiàn)的極端風(fēng)速對風(fēng)電設(shè)備的巨大影響。

圖1 “桑美”臺(tái)風(fēng)過程中的風(fēng)速和氣壓Fig．1 W ind speed and atmospheric pressure during typhoon Saomai landing

2．2 異常湍流

湍流強(qiáng)度定義為風(fēng)速隨機(jī)變化幅度大小，是10 min脈動(dòng)風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期水平平均風(fēng)速的比率。湍流強(qiáng)度是描述一個(gè)地區(qū)風(fēng)場風(fēng)況和進(jìn)行風(fēng)電機(jī)分類的重要指標(biāo)之一。它使風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中承受疲勞載荷，不僅影響風(fēng)電機(jī)的輸出功率，而且對風(fēng)電機(jī)組性能和壽命有直接影響。臺(tái)風(fēng)過程中，湍流擾動(dòng)引發(fā)風(fēng)電機(jī)組某些部件產(chǎn)生一種隨機(jī)的強(qiáng)迫振動(dòng)，強(qiáng)烈的湍流擾動(dòng)可能是變槳機(jī)組的變槳機(jī)構(gòu)損壞的主要原因。

超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”登陸期間，在臺(tái)風(fēng)中心附近，風(fēng)向、風(fēng)速出現(xiàn)突變，高低層湍流強(qiáng)度同時(shí)發(fā)生大小不一的突增現(xiàn)象(見圖2(a));有時(shí)高層湍流強(qiáng)度值會(huì)超過低層(見圖2(b));離臺(tái)風(fēng)中心較遠(yuǎn)的地方(見圖2(c))，湍流突變不明顯?？梢?，臺(tái)風(fēng)過程中的湍流強(qiáng)度有其獨(dú)特之處，它不僅與下墊面狀況有關(guān)，還與距臺(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)近有關(guān)，越靠近臺(tái)風(fēng)中心，發(fā)生異常湍流現(xiàn)象越明顯。

2．3 突變風(fēng)向

圖2 “桑美”超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)影響期間測風(fēng)塔風(fēng)速、風(fēng)向、湍流強(qiáng)度變化圖Fig．2 W ind speed，direction and turbulence on 3 sites during Saomai landing

臺(tái)風(fēng)中心通過時(shí)，所有測風(fēng)點(diǎn)的風(fēng)向在短時(shí)內(nèi)(小于6 h)變化角度超過45°(見圖2)，靠近中心位置的甚至?xí)l(fā)生120°～180°的突變，從之前的東北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)、西南風(fēng)。風(fēng)向的劇烈變化對風(fēng)電機(jī)組的影響也非常大。對于已經(jīng)順槳停機(jī)的變槳風(fēng)電機(jī)組而言，風(fēng)向突變意味著主風(fēng)向從風(fēng)電機(jī)的正前方轉(zhuǎn)到側(cè)面和側(cè)后方，整個(gè)風(fēng)電機(jī)的受風(fēng)面積也隨之變化，通常側(cè)面吹來的風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓比正前方來風(fēng)的風(fēng)壓大30%以上，同時(shí)，側(cè)風(fēng)和湍流使風(fēng)葉受力最不利，繼而造成風(fēng)電機(jī)組的偏航系統(tǒng)損壞。臺(tái)風(fēng)登陸過程中風(fēng)電場外部電網(wǎng)往往也遭受破壞，使得風(fēng)電機(jī)組無法按預(yù)先的控制策略進(jìn)行操作，增加了風(fēng)電機(jī)組損害程度。

3 臺(tái)風(fēng)對風(fēng)電機(jī)的破壞機(jī)理

造成風(fēng)電設(shè)備在臺(tái)風(fēng)過程中破壞的主要原因有以下3個(gè):臺(tái)風(fēng)登陸過程中的風(fēng)特征、風(fēng)電場的外部環(huán)境和風(fēng)電設(shè)備自身結(jié)構(gòu)，其中風(fēng)特征是風(fēng)電機(jī)組損壞的主要因素，可造成風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)屈服、設(shè)備失控。

3．1 結(jié)構(gòu)破壞

極端風(fēng)速作用在風(fēng)電機(jī)組上的風(fēng)荷載與風(fēng)速平方成正比，當(dāng)它大于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值時(shí)，結(jié)構(gòu)材料發(fā)生屈服破壞。2003年3月登陸西南太平洋上新喀里多尼亞的“埃麗卡”臺(tái)風(fēng)造成島上洋李風(fēng)電場20臺(tái)V27桁架式塔架風(fēng)電機(jī)中的5臺(tái)倒塔，12臺(tái)嚴(yán)重?fù)p壞［1］。2003年9月登陸宮古島的“鳴蟬”臺(tái)風(fēng)造成2臺(tái)400 kW失速型風(fēng)電機(jī)倒塔，1臺(tái)變槳風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)破壞而傾倒［2］。2006年8月的“桑美”臺(tái)風(fēng)登陸過程中，3臺(tái)600 kW風(fēng)電機(jī)因塔架折斷而傾倒(見圖3)。

圖3 “桑美”臺(tái)風(fēng)中破壞的風(fēng)電機(jī)和葉片F(xiàn)ig．3 Blade damaged by typhoon

在“桑美”臺(tái)風(fēng)通過風(fēng)電場時(shí)，一臺(tái)風(fēng)電機(jī)的3支葉片在根部斷裂，估計(jì)主要原因是強(qiáng)風(fēng)使風(fēng)輪輪轂中的變槳機(jī)構(gòu)損壞，葉片角度變化后增加了葉片的迎風(fēng)面積，導(dǎo)致3葉片在根部斷裂。

3．2 葉片扭振

臺(tái)風(fēng)過程中的異常湍流造成風(fēng)電機(jī)振動(dòng)，部分部件和結(jié)構(gòu)損壞。湍流強(qiáng)度極大的氣流使葉片扭動(dòng)，當(dāng)氣流變化產(chǎn)生的激振荷載強(qiáng)勁而又與該葉片的固有頻率相近時(shí)，葉片翼殼后沿可能產(chǎn)生以主梁為轉(zhuǎn)軸的扭諧振，扭諧振引發(fā)葉片的極端疲勞荷載。疲勞損壞在應(yīng)力集中地方開始生成極小裂紋，繼而延伸至粘膠層內(nèi)部和葉片蒙皮的相鄰區(qū)域，最終導(dǎo)致粘膠和復(fù)合蒙皮強(qiáng)度的降低，上下蒙皮匯合處的后翼沿開裂以及葉片蒙皮斷裂。

當(dāng)葉片在狂風(fēng)吹拂下產(chǎn)生劇烈扭諧振時(shí)，變槳機(jī)構(gòu)的受力大大超過了設(shè)計(jì)值，部分連接葉片和三角支架的拐臂斷裂，或者三角支架本身破裂(見圖4)，葉片位置失去控制導(dǎo)致一些風(fēng)輪帶著機(jī)械剎車旋轉(zhuǎn)甚至失控飛車。2003年的“鳴蟬”臺(tái)風(fēng)也造成一些變槳風(fēng)電機(jī)的變槳機(jī)構(gòu)損壞。變槳風(fēng)電機(jī)在正常的大風(fēng)停機(jī)后，葉片都轉(zhuǎn)到90°的順槳位置，但在系統(tǒng)失電后，機(jī)械剎車動(dòng)作，剎住了風(fēng)輪，阻止它自由轉(zhuǎn)動(dòng)，固定不轉(zhuǎn)的風(fēng)輪在臺(tái)風(fēng)湍流中易發(fā)生扭諧振，并且往往使某一支葉片受力過大而折斷。

圖4 臺(tái)風(fēng)破壞的葉片和變槳機(jī)構(gòu)Fig．4 Damaged b lade and pitch control system by typhoon

3．3 設(shè)備失控

“桑美”臺(tái)風(fēng)中，風(fēng)輪在強(qiáng)湍流作用下，葉片發(fā)生不規(guī)則扭振，變槳機(jī)構(gòu)的拐臂和支架斷裂，葉片角度失控，在臺(tái)風(fēng)吹拂下風(fēng)輪帶著剎車高速旋轉(zhuǎn)，剎車盤與剎車卡鉗摩擦產(chǎn)生高溫將剎車盤和卡鉗燒紅。最終，該風(fēng)電場有10臺(tái)風(fēng)電機(jī)的剎車盤因高溫爆裂。

臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)，電網(wǎng)停電且風(fēng)向變動(dòng)，機(jī)艙和風(fēng)輪的側(cè)向受風(fēng)非常之大，只有使用偏航液壓剎車的風(fēng)電機(jī)的機(jī)艙基本保持停電時(shí)的位置，大多滑塊型偏航系統(tǒng)或使用阻尼器加偏航軸承的機(jī)艙位置都被大風(fēng)吹得轉(zhuǎn)了方向，由于偏航驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的減速系統(tǒng)大多有自鎖機(jī)構(gòu)，大風(fēng)的強(qiáng)迫轉(zhuǎn)向使不少風(fēng)電機(jī)的偏航系統(tǒng)在此過程中受到嚴(yán)重?fù)p壞(見圖5)。

圖5 臺(tái)風(fēng)損壞的偏航減速機(jī)構(gòu)和偏航齒圈Fig．5 Broken yaw ring and yaw gearbox by typhoon

4 海上風(fēng)電機(jī)組的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)對可再生能源的重視和風(fēng)電開發(fā)的飛速發(fā)展，在激烈的市場競爭中，許多風(fēng)電設(shè)備廠家認(rèn)識(shí)到產(chǎn)品差異化對市場開發(fā)的重要性，根據(jù)我國各地的氣候特點(diǎn)和市場需求，紛紛開始適應(yīng)特殊氣候環(huán)境的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造。有的廠家聲稱可以設(shè)計(jì)制造抗臺(tái)風(fēng)風(fēng)電機(jī)組，也有的廠家宣傳已安裝的風(fēng)電機(jī)組抵抗了臺(tái)風(fēng)影響。仔細(xì)研究這些產(chǎn)品和信息，筆者發(fā)現(xiàn)這其中有許多誤區(qū)。

首先，風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)是指在充分認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)過程中的風(fēng)特征和臺(tái)風(fēng)對風(fēng)電機(jī)組的破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上，有一個(gè)科學(xué)合理的總體設(shè)計(jì)思路，確保設(shè)計(jì)制造的風(fēng)電機(jī)組在遭遇最大風(fēng)速接近設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的主要結(jié)構(gòu)和部件沒有損壞。而在遭遇最大風(fēng)速超出設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的破壞損失控制在最小范圍，而不發(fā)生顛覆性的嚴(yán)重破壞。臺(tái)風(fēng)過后，在保險(xiǎn)賠款的支持下可以迅速修復(fù)投運(yùn)。如果發(fā)生風(fēng)電機(jī)倒塔，不僅風(fēng)電機(jī)全損，風(fēng)電機(jī)的基礎(chǔ)工程、部分輸變電工程包括風(fēng)電機(jī)組的安裝費(fèi)用也受牽連損失，對于海上風(fēng)電而言，這部分費(fèi)用甚至超過風(fēng)電機(jī)組本身，這種臺(tái)風(fēng)損失稱之為顛覆性破壞。因此風(fēng)電機(jī)組的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)絕不是頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳地加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組個(gè)別部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)而已，盲目設(shè)計(jì)不但增加設(shè)備成本，還會(huì)增加風(fēng)電工程的整體風(fēng)險(xiǎn)。

其次，臺(tái)風(fēng)直徑一般為600至1 000多千米，在水平方向可以分為大風(fēng)區(qū)、云墻區(qū)和風(fēng)眼區(qū)，而破壞力最猛烈的最大風(fēng)速的分布一般在臺(tái)風(fēng)前進(jìn)方向的右前方。筆者討論的風(fēng)電機(jī)組抗臺(tái)風(fēng)主要是指風(fēng)電機(jī)組可以抵抗接近設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)影響，而不是僅僅抵抗臺(tái)風(fēng)的外圍影響。僅僅受到臺(tái)風(fēng)外圍環(huán)流的影響不等于抗得住接近設(shè)計(jì)參數(shù)的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速的影響。

根據(jù)第2，3節(jié)的介紹，風(fēng)電機(jī)抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)與抗普通的大風(fēng)不同，是在充分認(rèn)識(shí)臺(tái)風(fēng)的特點(diǎn)和破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上有針對性地進(jìn)行設(shè)計(jì)。關(guān)鍵在于三方面:科學(xué)的總體設(shè)計(jì)思路、實(shí)用的控制策略和針對性的部件設(shè)計(jì)。

4．1 風(fēng)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)思路

僅僅設(shè)計(jì)制造一臺(tái)可以抗臺(tái)風(fēng)的風(fēng)電機(jī)組并不難，難的是要求風(fēng)電機(jī)組既能抗臺(tái)風(fēng)又確保安裝在特定風(fēng)電場中運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)可行的，否則就失去了投資風(fēng)電項(xiàng)目的意義。因此，廠家要將有限的資源放在關(guān)鍵部位，確保風(fēng)電機(jī)在遭受最大風(fēng)速小于設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)安然無恙，而遭遇最大風(fēng)速大于設(shè)計(jì)風(fēng)速的臺(tái)風(fēng)時(shí)，總體損失最小。一個(gè)典型的近海風(fēng)電項(xiàng)目和一臺(tái)2．5 MW的變槳變速風(fēng)電機(jī)組的成本分析如下(見圖6)。

圖6 風(fēng)電項(xiàng)目的成本分解Fig．6 Construction cost of offshore project

從圖6可見，對于海上風(fēng)電項(xiàng)目，風(fēng)電機(jī)組本身在建設(shè)成本中只占30%左右，但是，如果風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)或塔架在臺(tái)風(fēng)中損壞，往往不僅造成整臺(tái)風(fēng)電機(jī)組破壞，還造成風(fēng)電機(jī)基礎(chǔ)和運(yùn)輸安裝費(fèi)用也一同損失。因此，在確定海上風(fēng)電機(jī)組的總體設(shè)計(jì)思路時(shí)應(yīng)該根據(jù)部件失效造成的損失后果確定風(fēng)電機(jī)組各個(gè)部件的安全系數(shù)，從風(fēng)電機(jī)組的基礎(chǔ)、塔架、機(jī)艙到輪轂和葉片，安全系數(shù)應(yīng)該從高到低。同時(shí)，要非常謹(jǐn)慎地計(jì)算和設(shè)計(jì)風(fēng)電機(jī)的葉片強(qiáng)度，應(yīng)該允許葉片在超過風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)風(fēng)速的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中屈服破壞，以減輕風(fēng)電機(jī)組整體風(fēng)荷載，避免更嚴(yán)重的破壞。在GB18451．1－2001和IEC 61400－1標(biāo)準(zhǔn)中都采用了荷載安全系數(shù)以提高風(fēng)電機(jī)組抵抗強(qiáng)風(fēng)荷載的可靠性，一般的荷載安全系數(shù)為1．35，根據(jù)上述的原則，筆者對于一些重要的部件，相應(yīng)的安全系數(shù)可以提高到1．7～2．0，以提高重要部件的可靠性，控制臺(tái)風(fēng)損失是風(fēng)險(xiǎn)。

4．2 風(fēng)電機(jī)組的控制策略

臺(tái)風(fēng)影響過程中，極大風(fēng)速、湍流和風(fēng)向突變是造成風(fēng)電機(jī)組破壞的三大主要因素。對于極大風(fēng)速，要確定合理的設(shè)計(jì)思路，控制損壞風(fēng)險(xiǎn);而改進(jìn)風(fēng)電機(jī)組的控制策略是應(yīng)對湍流和風(fēng)向突變的有效手段，也是成本最小的抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)方法。

1)改進(jìn)機(jī)械剎車控制策略:臺(tái)風(fēng)影響過程中電網(wǎng)往往也遭受損壞而癱瘓，風(fēng)電機(jī)控制機(jī)械剎車的液壓系統(tǒng)因停電而動(dòng)作剎車，剎車鉗將高速軸上的剎車盤抱死。風(fēng)向和大小劇烈變化的氣流可能從垂直于葉片的最不利方向吹來，而不是如設(shè)想的那樣從順槳方向吹來，迫使葉片發(fā)生劇烈扭振，在破壞葉片結(jié)構(gòu)的同時(shí)引起輪轂內(nèi)部的變槳機(jī)構(gòu)損壞，進(jìn)而改變?nèi)~片槳距位置并發(fā)生飛車，造成剎車盤摩擦高溫和葉片的進(jìn)一步損壞。因此，要改進(jìn)機(jī)械剎車停電動(dòng)作的控制策略，加裝備用電源或改變控制邏輯，在葉片順槳、機(jī)組正常停機(jī)后，松開剎車，讓順槳的風(fēng)輪處于自由轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。這樣在臺(tái)風(fēng)過程中可以改善葉片的受力狀況，當(dāng)某葉片受力過大時(shí)，風(fēng)輪會(huì)旋轉(zhuǎn)到各葉片受力均衡位置，避免個(gè)別葉片處于最不利的受力位置，產(chǎn)生扭諧振或其他不利情況。

2)改進(jìn)偏航系統(tǒng)控制策略:現(xiàn)在不論是陸地還是海上風(fēng)電機(jī)組，其功率控制方式都是變槳變速型，風(fēng)電機(jī)組停機(jī)后葉片順槳，當(dāng)風(fēng)是從正前方吹來時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)荷載最小。但臺(tái)風(fēng)過程中，風(fēng)向變化180°左右，而風(fēng)電機(jī)的偏航系統(tǒng)因停電無法對風(fēng)轉(zhuǎn)向，狂風(fēng)可能從受力情況最差的側(cè)面吹來，側(cè)面風(fēng)荷載比正前方大30%左右，增加了葉片、塔架和基礎(chǔ)的載荷。對于海上風(fēng)電場，場內(nèi)輸變電都是電纜，可以在風(fēng)電場的升壓站配備容量足夠的備用電源，在電網(wǎng)系統(tǒng)故障的情況下，為風(fēng)電機(jī)的偏航系統(tǒng)提供偏航控制電力，確保機(jī)艙處于有利位置。也可以利用下風(fēng)向風(fēng)輪的自動(dòng)偏航作用，在電網(wǎng)失電后，松開偏航剎車，依靠風(fēng)力轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)輪，一來避免失電后偏航系統(tǒng)受力損壞，二來減少風(fēng)電機(jī)組的受力。

4．3 風(fēng)電機(jī)組關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)制造

4．3．1 塔架的設(shè)計(jì)改進(jìn)

塔架造價(jià)只有風(fēng)電機(jī)組的十分之一，但它的安危卻關(guān)系著2倍于風(fēng)電機(jī)組的價(jià)值，因此，對于塔架的設(shè)計(jì)要高度重視，不論是安全系數(shù)的選擇還是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的細(xì)節(jié)。塔架的損壞主要有3方面的原因:門框處的加強(qiáng)筋板尺寸不夠、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、塔架鋼板厚度不夠。因此，在設(shè)計(jì)中要使用臺(tái)風(fēng)專用安全系數(shù)修正后的極端荷載對塔筒各承重部件進(jìn)行強(qiáng)度校核，綜合考慮選擇足夠強(qiáng)度的壁厚配置。對塔筒的其他部分如螺栓、法蘭、焊縫等也根據(jù)載荷報(bào)告進(jìn)行極限強(qiáng)度校核，確保塔架適合臺(tái)風(fēng)地區(qū)的極限風(fēng)況。

4．3．2 葉片制造工藝的改進(jìn)

風(fēng)電機(jī)葉片是整個(gè)機(jī)組的薄弱環(huán)節(jié)，葉片細(xì)長、柔軟，制造工藝質(zhì)量較難保證，往往在臺(tái)風(fēng)過程中最先損壞。除了改進(jìn)機(jī)械剎車的控制策略，改善葉片的受力狀況外，對于葉片而言，關(guān)鍵是提高制造過程中的工藝質(zhì)量，并建立有效的質(zhì)量檢查體系，確保內(nèi)在質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。

葉片結(jié)構(gòu)一般為上下兩片有特定翼型的葉殼與承受主要彎曲應(yīng)力的葉梁黏合而成，既要有足夠的強(qiáng)度和剛度避免斷裂失效以及在載荷作用下產(chǎn)生形變，又要有足夠的穩(wěn)定性避免產(chǎn)生自然的共振，同時(shí)，將重量控制在一定的范圍內(nèi)。根據(jù)以往臺(tái)風(fēng)損壞情況分析，葉片關(guān)鍵在于黏合質(zhì)量的控制和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵部位的強(qiáng)度保證。

4．3．3 偏航系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

臺(tái)風(fēng)作用在風(fēng)輪和機(jī)艙上的傾覆力矩通過偏航系統(tǒng)傳遞給塔架，同時(shí)，變化的風(fēng)向也會(huì)增加偏航系統(tǒng)剎車的荷載，因此，起著承上啟下作用的偏航系統(tǒng)必須能承受臺(tái)風(fēng)帶來的巨大載荷。應(yīng)采用專門修正后的載荷對偏航系統(tǒng)進(jìn)行校核調(diào)整，偏航驅(qū)動(dòng)齒輪盡量選用行星減速齒輪箱，避免采用渦輪蝸桿減速齒輪箱，以免在極端情況下，機(jī)艙被迫轉(zhuǎn)向而損壞偏航系統(tǒng)。

4．3．4 其他部件的改進(jìn)

通常塑料制成的風(fēng)杯式風(fēng)速風(fēng)向儀在臺(tái)風(fēng)中必定會(huì)損壞，應(yīng)采用金屬制成的風(fēng)速風(fēng)向儀。同時(shí)，為超聲波風(fēng)速風(fēng)向儀選用強(qiáng)化的安裝支架，確保臺(tái)風(fēng)過程中能向控制系統(tǒng)傳遞準(zhǔn)確的風(fēng)速風(fēng)向信號。風(fēng)輪導(dǎo)流罩和機(jī)艙的天窗在臺(tái)風(fēng)中也易受損，特別是固定螺栓周圍的連接面強(qiáng)度不夠，應(yīng)采取相應(yīng)措施，加強(qiáng)連接強(qiáng)度，以承受巨大的臺(tái)風(fēng)荷載。

4．4 適合臺(tái)風(fēng)地區(qū)運(yùn)行的單葉片風(fēng)電機(jī)

從風(fēng)電機(jī)選型角度分析，單葉片風(fēng)電機(jī)可能是最適合在臺(tái)風(fēng)地區(qū)的海上風(fēng)場運(yùn)行。當(dāng)風(fēng)電機(jī)采用專門的停機(jī)方式，將單葉片停放在塔架前后時(shí)，形似一臺(tái)拆下風(fēng)輪的風(fēng)電機(jī)組，可以最大限度地減小臺(tái)風(fēng)荷載。

當(dāng)然，單葉片風(fēng)電機(jī)也有其他的缺點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。單葉片的風(fēng)輪需要一個(gè)配重塊，這降低了風(fēng)輪效率;復(fù)雜的動(dòng)態(tài)荷載也需要一個(gè)鉸鏈?zhǔn)捷嗇灱右葬尫?較高的尖速比會(huì)產(chǎn)生惱人的噪聲;單葉片風(fēng)輪也不如三葉片風(fēng)輪協(xié)調(diào)平穩(wěn)。而優(yōu)點(diǎn)是單葉片風(fēng)輪的造價(jià)比三葉片風(fēng)輪小;高尖速比降低了風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩，使得齒輪箱和機(jī)艙的傳動(dòng)系統(tǒng)更為輕巧，同樣規(guī)格的機(jī)艙可以安裝更大直徑的單葉片風(fēng)輪;通過增加風(fēng)輪直徑可以抵消降低的氣動(dòng)效率;而海上風(fēng)電場遠(yuǎn)離居民，單葉片風(fēng)電機(jī)的噪聲和視覺問題可以予以忽略?？梢哉f，對于臺(tái)風(fēng)頻發(fā)地區(qū)的海域，從結(jié)構(gòu)和風(fēng)場特點(diǎn)分析，抗臺(tái)風(fēng)最佳的風(fēng)電機(jī)選型是單葉片風(fēng)電機(jī)組(見圖7)。

5 結(jié)語

我國的東南沿海臺(tái)風(fēng)頻發(fā)，但也是未來海上風(fēng)電發(fā)展的重要區(qū)域。目前，國內(nèi)外現(xiàn)有的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還沒有充分考慮臺(tái)風(fēng)地區(qū)風(fēng)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，抗臺(tái)風(fēng)的風(fēng)電機(jī)設(shè)計(jì)需要在分析臺(tái)風(fēng)特征的基礎(chǔ)上加以綜合考慮，著重在總體設(shè)計(jì)思路和風(fēng)電機(jī)的控制策略上，而不僅僅是加強(qiáng)某些部件。

圖7 單葉片風(fēng)電機(jī)Fig．7 W ind turbine w ith one blade

［1］ Vergnet S A．Tropical cyclone“Erica”New Caledonia［EB/OL］．［2003 －3 －14］http://www．smallwindindustry．org/fileadmin/ewea_documents/documents/projects/swiis/track_records/050512ERICAC YCLONE．pdf．

［2］ Hitomitsu Kikitsu，Yasuo Qkuda，Hisashi Okada，et al．High wind damage in Japan from typhoon Maemiand Choi－wan on september［R］．2003．