大型風力發(fā)電機組地震載荷計算方法研究

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

大型風力發(fā)電機組地震載荷計算方法研究

王其君，高中華

（東方電氣風電有限公司，四川德陽，618000）

隨著國家大規(guī)模開發(fā)風力發(fā)電，風力發(fā)電機組安全性逐漸受到重視。近年來全國地震時有發(fā)生，由于地震很難預測，并且具有很強的破壞性，風力發(fā)電機組在地震情況下的安全性必須在設計中考慮。文章介紹了風力發(fā)電機組地震設計標準，分析了地震載荷計算原理。最后根據(jù)2 MW陸上雙饋風力發(fā)電機組，分析了地震載荷對風力發(fā)電機組各個部件設計的影響，為風力發(fā)電機組地震載荷計算提供了參考經(jīng)驗。

風力發(fā)電機組，地震設計標準，地震載荷計算原理

0 引言

風能是一種可再生的清潔能源，據(jù)國家氣象局估算，可開發(fā)和利用的陸地上風能儲量有2.53億千瓦，近?？砷_發(fā)和利用的風能儲量有7.5億千瓦，共計約10億千瓦。根據(jù)中電聯(lián)年度快報統(tǒng)計，截至2014年底，全國全口徑發(fā)電裝機容量為13.6億千瓦。因此，如果把全國風能資源用于發(fā)電，風電基本可以滿足全國用電需求?，F(xiàn)階段，中國主要依靠化石能源發(fā)電，中國碳排放量居于世界首位，基本是美國碳排放量的兩倍。由于碳排放量過大，引起很多環(huán)境污染問題。

從2005年開始，中國風力發(fā)電得到快速發(fā)展。截至2015年，中國風電裝機規(guī)模已經(jīng)超過1.4億千瓦。根據(jù)國家規(guī)劃，未來15年的時間里，每年新增風機容量大約是2 500萬千瓦。“十三五”期間，風電每年規(guī)劃量維持在3 000萬千瓦的規(guī)模。風力發(fā)電機組都安裝在露天空曠的場地，近年來全國地震時有發(fā)生，由于地震很難預測，并且具有很強的破壞性，風力發(fā)電機組在地震情況下的安全性逐漸受到重視。本文首先介紹地震參考標準，然后對地震載荷計算原理進行介紹，最后以某型2 MW風力發(fā)電機組為例進行具體地震載荷計算分析。

1 地震參考標準

對風力發(fā)電機組做地震載荷計算，首先要明確地震設計參考標準。地震設計標準是根據(jù)各國抗震設計經(jīng)驗結合地震基本理論制定的地震設計參考準則，因此，不同國家擁有不同的設計標準?，F(xiàn)在風力發(fā)電機組地震設計主要參考GB 50011-2010（建筑抗震設計規(guī)范）和EN 1998-1（抗震結構設計）等兩個標準，其中GB 50011-2010為中國抗震設計標準，EN 1998-1為歐洲抗震設計標準。

EN 1998-1規(guī)定地震區(qū)的建筑結構應遵循以下兩個設計原則[1]：

（1）破壞極限要求：結構經(jīng)抗震設計后，在地震作用下結構有很大抗御地震的能力，沒有任何破壞并可使用，經(jīng)濟損失較結構成本很小，即滿足地震作用10年的超越概率PR、重現(xiàn)期TR的要求，推薦值分別為10%、95年。

（2）不倒塌要求：結構經(jīng)抗震設計后,在地震作用下沒有局部或整體性的倒塌，即在地震作用下保持結構完整性，并有可承受荷載的能力，即滿足地震作用50年的超越概率PR、重現(xiàn)期TR的要求，推薦值分別為10%、475年。

GB 50011-2010規(guī)定建筑基本抗震設防目標是：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，主體結構不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用；當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的設防地震影響時，可發(fā)生損壞，但經(jīng)一般性修理仍可繼續(xù)使用；當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞[2]，即小震不壞，中震可修，大震不倒。我國抗震設計標準規(guī)定的3個設防等級對應的超越概率PR和重現(xiàn)期TR如表1所示。

表1 我國抗震標準規(guī)定的超越概率和重現(xiàn)期

由于EN 1998-1和GB 50011-2010兩個標準地震參考時間不同，因此無法直接對這兩個標準進行比較。根據(jù)式（1）可以轉換地震參考時間，為了對比方便，把EN 1998-1破壞極限要求參考時間轉換為50年，對應超越概率PR和重現(xiàn)期TR分別為40%和95年。EN 1998-1標準按照50年參考時間，不同設防目標超越概率PR和重現(xiàn)期TR如表2所示。

式中：TR為平均重現(xiàn)期；TL為參考時間；PR為TL內的超越概率。

表2 EN1998-1標準轉換的超越概率和重現(xiàn)期

根據(jù)表1和表2對比可知：EN 1998-1標準規(guī)定的破壞極限要求高于GB 50011-2010標準規(guī)定的多遇地震（小震不壞）；EN 1998-1標準規(guī)定的不倒塌要求低于GB 50011-2010標準規(guī)定的罕遇地震（大震不倒）。

2 地震載荷計算原理

地震載荷計算方法通常有底部剪力法、時程分析法和振型分解反應譜法等，其中底部剪力法只適用于結構簡單的低層建筑，時程分析法特別適用于結構復雜的高層建筑。風力發(fā)電機組主要由葉片、變槳系統(tǒng)、輪轂、主軸、齒輪箱（直驅機組除外）、發(fā)電機、變流器和塔筒等部件構成。風和葉片是非常復雜的氣動流固耦合作用；輪轂、主軸和齒輪箱是一個典型的機械傳動系統(tǒng)；塔筒是比較規(guī)則的高層建筑支撐系統(tǒng)；變頻器和變槳系統(tǒng)需要根據(jù)風況調整對風力發(fā)電機組的控制。因此，風力發(fā)電機組是非常復雜的氣動、機械、控制相互耦合的系統(tǒng)。風力發(fā)電機組地震載荷計算最好的方法是時程分析法。風力發(fā)電機組地震動力學模型如圖1所示[3]。

圖1 風力發(fā)電機組地震動力學模型

時程分析法是直接把地震加速度作用于基礎環(huán)和塔筒的交接面處，風力發(fā)電機組地震載荷計算基本原理如式（2）所示。

其中，[M]、[C]和[K]分別為風力發(fā)電機組質量、阻尼和剛度矩陣；{E}為慣性力指示向量；x?g(t)為地震波加速度時間序列。當風力發(fā)電機組模型建立以后，風力發(fā)電機組質量、阻尼和剛度矩陣都為確定值。只要能夠獲得地震波加速度時間序列，那么根據(jù)式（2）就可以直接計算出風力發(fā)電機組地震載荷。計算地震載荷需要實際地震時間序列，但實際地震波時間序列非常難以獲得。

GB 50011-2010和EN 1998-1等標準中都給出了地震響應譜曲線，這個地震響應譜為保證某個地區(qū)建筑物地震安全的響應曲線。在某個地區(qū)，只要選擇抗震設計烈度和場地類型，那么根據(jù)地震響應譜曲線設計的建筑物，就可以保證抵御響應設計烈度的地震。根據(jù)地震響應譜曲線給建筑物抗震設計帶來非常大的便利性。GB 50011-2010標準規(guī)定的地震響應系數(shù)曲線如圖2所示[2]。

圖2 地震響應系數(shù)曲線

式中：α為地震響應系數(shù)；αmax為地震響應系數(shù)最大值；Tg為特征周期；η1為直線下降段的下降斜率調整系數(shù)；γ為衰減指數(shù)；η2為阻尼調整系數(shù)。

根據(jù)圖2確定的地震響應系數(shù)曲線乘以重力加速度值，就可以得到地震響應譜曲線。由于地震響應譜不能直接用于時程分析法求解地震載荷，需要隨機生成地震加速度時間序列，保證滿足地震響應譜曲線，用這樣的地震加速度序列進行地震載荷計算。地震加速度時間序列的獲得是一個反復迭代的過程，主要步驟如下。

◆計算隨機生成地震加速度時間序列響應譜；

◆與一定數(shù)量頻率點的目標響應譜進行比較；

◆檢查是否滿足收斂條件；

◆繪制頻域圖。

每迭代一次，計算一次響應譜，并與目標響應譜進行比較。需要指定設計響應譜任何計算點的可允許偏差的上下限。若所有點在許可范圍內則收斂條件滿足，迭代結束。若有不滿足的點，則按式（3）在時域上進行傅里葉變換[4]。

式中：Vg為時域加速度傅里葉變換；SD

a為目標譜值；Sa為實際譜值。

3 地震載荷算例分析

本文算例采用變速變槳2 MW雙饋陸上風力發(fā)電機組，采用GB 50011-2010標準規(guī)定的Ⅷ度抗震設計。機組和地震參數(shù)如表3所示。

表3 機組和地震參數(shù)

風力發(fā)電機組地震載荷計算，不但需要考慮風力發(fā)電機組受到的地震載荷，同時還需要考慮風載荷、重力載荷和慣性載荷等其他載荷，以及風力發(fā)電機組運行狀態(tài)和外部環(huán)境因素的影響。地震載荷計算需要同時考慮這些因素，并且選擇必須考慮的最小組合工況。地震載荷計算工況如表4所示[5]。

表4 地震載荷計算工況表

根據(jù)GB 50011-2010標準要求：保證風力發(fā)電機組“小震不壞，中震可修，大震不倒”，通常只需要保證機組“小震不壞，大震不倒”即可，中震要求自然滿足。分別計算風力發(fā)電機組在多遇地震和罕遇地震情況下主要部件載荷，并且把這些載荷和風力發(fā)電機組不考慮地震工況的設計載荷進行對比，載荷對比如表5～表8所示。

表5 葉根載荷對比

表6 輪轂中心載荷對比（輪轂坐標系）

表7 偏航軸承（塔筒頂部）載荷對比

表8 塔筒底部載荷對比

根據(jù)表5～表8地震載荷對比可知：多遇地震載荷遠小于機組設計載荷，只要機組滿足正常設計工況不損壞，那么自然滿足GB 50011-2010標準“小震不壞”要求。罕遇地震載荷主要影響塔筒和基礎設計，主要表現(xiàn)為塔筒水平剪切力和塔底彎矩的影響，對于偏航軸承以上機艙和風輪部件沒有影響。因此，地震載荷對風力發(fā)電機組的影響基本為塔筒和基礎。地震烈度較大地區(qū)安裝的風力發(fā)電機組需要專門對塔筒和基礎這兩個部件進行設計校核。

4 結論

本文介紹了風力發(fā)電機組地震載荷計算的參考標準，分析了風力發(fā)電機組地震載荷計算的基本原理，最后以2 MW陸上雙饋風力發(fā)電機組為例，分析對比地震載荷對風力發(fā)電機組各個部件設計的影響。通過以上分析和對比，可以得到以下結論：

（1）EN 1998-1標準規(guī)定的破壞極限要求高于GB 50011-2010標準規(guī)定的多遇地震；EN 1998-1標準規(guī)定的不倒塌要求低于GB 50011-2010標準規(guī)定的罕遇地震。

（2）風力發(fā)電機組地震載荷計算建議采用時程分析法。

（3）對風力發(fā)電機組設計有影響的主要為罕遇地震，并且罕遇地震主要影響塔筒和基礎。建議風電行業(yè)能夠借鑒EN 1998-1標準規(guī)定的不倒塌要求，并且結合GB 50011-2010標準，編制風電專門的地震設計規(guī)范，制定合適的罕遇地震要求，降低風電機組建造成本。

[1]劉潔平,李小東,張令心.淺談歐洲規(guī)范Eurocode8－結構抗震設計[J].世界地震工程,2006,22(3):53-59.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.建筑抗震設計規(guī)范:GB 50011-2010[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[3]金鑫,王磊,劉樺.大功率風力發(fā)電機地震動力學建模及載荷計算[J].工程力學,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

基金編號：四川省科技支撐計劃項目資助（2014GZ0084）。

王其君（1982－），男，碩士，工程師，主要從事風力發(fā)電機組設計研究工作。