目前風(fēng)電機(jī)組塔架減振控制技術(shù)分析

王雍 張新 張五泉

摘 要：當(dāng)前部分風(fēng)電場風(fēng)電機(jī)組塔架減振控制問題突出，分析普通高聳結(jié)構(gòu)的減振控制技術(shù)特征和運(yùn)用于風(fēng)電機(jī)組的可行性，根據(jù)風(fēng)機(jī)塔架結(jié)構(gòu)與運(yùn)行自身特性，對(duì)減振技術(shù)研究方向提出適應(yīng)性要求，為工程技術(shù)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電；塔架；振動(dòng)；控制

中圖分類號(hào)：TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）21-0133-02

風(fēng)力發(fā)電因清潔無污染、單機(jī)容量大、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前最具發(fā)展?jié)摿Φ男履茉粗?。近年來風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量越來越大，平原和山地風(fēng)電場采用2.5MW或3MW機(jī)組比比皆是，塔架的高度也越來越高，而塔架受加工、制作、運(yùn)輸?shù)纫蛩叵拗?，直徑有限，塔架自振頻率因而相對(duì)降低，對(duì)風(fēng)荷載愈發(fā)敏感，振動(dòng)問題更加嚴(yán)峻。振動(dòng)引起的疲勞損傷積累對(duì)塔架十分不利，特別是目前國內(nèi)不少風(fēng)電場發(fā)現(xiàn)部分風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工質(zhì)量等出現(xiàn)問題，風(fēng)機(jī)在大風(fēng)速運(yùn)行時(shí)塔架擺幅較大，風(fēng)機(jī)主體結(jié)構(gòu)安全性受到較大影響，研究振動(dòng)控制技術(shù)，減小塔架在外部激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，顯得十分重要。

1 風(fēng)機(jī)振動(dòng)控制裝置的研究現(xiàn)狀

風(fēng)電機(jī)組塔架擺幅過大時(shí)，極端荷載工況下工程安全性問題更為突出。目前很多學(xué)者對(duì)風(fēng)機(jī)塔架的振動(dòng)控制研究多數(shù)采用被動(dòng)控制方法，少數(shù)學(xué)者針對(duì)主動(dòng)控制方法和半主動(dòng)控制方法進(jìn)行了研究。

1.1 被動(dòng)控制方法

高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)中普遍采用的調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（TMD）主要為支撐式和懸吊式兩種形式。支撐式只能在一個(gè)或者兩個(gè)垂直方向上移動(dòng)，無法實(shí)現(xiàn)伴隨風(fēng)力發(fā)電機(jī)的偏航對(duì)風(fēng)而同步旋轉(zhuǎn)調(diào)向。針對(duì)這一問題，黃亮[1]設(shè)計(jì)了一種可以隨風(fēng)向主動(dòng)對(duì)向調(diào)整的支撐式TMD，該裝置需在風(fēng)機(jī)上端塔架內(nèi)設(shè)置可旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，依靠旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)裝置驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的質(zhì)量塊隨風(fēng)機(jī)偏航同步旋轉(zhuǎn)。Argyriadis和Hille[2]提出在塔架頂部設(shè)置浸在阻尼油中的懸吊式TMD來減小塔架的振動(dòng)，并分析了阻尼器在不同風(fēng)速情況下的減振效率，驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。Colwell和Basu[3]提出采用調(diào)諧液阻尼器（TLD）對(duì)于風(fēng)機(jī)進(jìn)行振動(dòng)控制，并采用數(shù)值分析方法研究了阻尼器的振動(dòng)控制效率，數(shù)值分析結(jié)果表明TLD振動(dòng)控制效果良好。李杰等利用粘彈性材料的剪切變形耗能特性設(shè)計(jì)了貼壁差動(dòng)式粘彈性阻尼器，當(dāng)塔架受外荷載作用發(fā)生彎曲變形時(shí)，裝置內(nèi)部的粘彈性材料將產(chǎn)生剪切變形進(jìn)而將能量耗散或轉(zhuǎn)化為熱能（圖1）。馬人樂[4]設(shè)計(jì)了一種鐘式減振器，利用質(zhì)量塊與主結(jié)構(gòu)反向擺動(dòng)，將慣性力施加在主結(jié)構(gòu)上，削弱結(jié)構(gòu)振動(dòng)。Chen（同濟(jì)大學(xué)陳俊嶺）和Georgakis[5]基于TMD原理設(shè)計(jì)了一種新型的球面容器阻尼器，通過容器內(nèi)鋼球滾動(dòng)或液體振蕩耗散能量，振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)容器內(nèi)鋼球或液體質(zhì)量為塔架一階模態(tài)質(zhì)量1.5～2.5%時(shí)，阻尼器可使試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诓煌r下的動(dòng)力響應(yīng)減小20%～46%（圖2）。

1.2 主動(dòng)控制方法

主動(dòng)控制裝置一般含有作動(dòng)器和重物，故而體積較大，且造價(jià)較高。為了將主動(dòng)控制方法應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上，若狹強(qiáng)志等[6]設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)后的主動(dòng)式減振方法，該方法利用加速度計(jì)、傾角控制機(jī)構(gòu)、加法裝置和速度推算裝置等代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重物和驅(qū)動(dòng)重物的作動(dòng)器，根據(jù)加速度計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋，計(jì)算出減小振動(dòng)所需的葉片槳距角變化，并通過葉片槳距角的實(shí)時(shí)變化達(dá)到減小振動(dòng)的目的。

1.3 半主動(dòng)控制方法

對(duì)于風(fēng)電機(jī)組半主動(dòng)控制方法的研究主要集中在葉片的減振上。Arrigan等[7]提出了在葉片尖部和機(jī)艙加設(shè)半主動(dòng)調(diào)諧質(zhì)量阻尼器（STMD）來控制葉片的揮舞。通過對(duì)湍流和穩(wěn)流兩種風(fēng)載狀態(tài)下減振效果的分析，發(fā)現(xiàn)加設(shè)該裝置后風(fēng)機(jī)系統(tǒng)和葉片的振動(dòng)均減小。

2 風(fēng)機(jī)塔架振動(dòng)控制裝置的要求

風(fēng)力發(fā)電塔架作為高聳結(jié)構(gòu)的一種形式，在振動(dòng)控制技術(shù)方面可以借鑒已有高聳結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制方法。很多學(xué)者采用數(shù)值分析或者室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究了結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制技術(shù)對(duì)減小風(fēng)機(jī)振動(dòng)的可行性，被動(dòng)控制方法主要針對(duì)塔架采取技術(shù)控制措施，主動(dòng)或半主動(dòng)控制法主要針對(duì)風(fēng)機(jī)葉片采取技術(shù)控制措施，總體來說，大部分學(xué)者提出的振動(dòng)控制裝置還停留在理論和概念設(shè)計(jì)層面，由于安裝條件所限，在實(shí)際工程中的應(yīng)用受到很大限制。TMD是目前在塔式結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制中應(yīng)用較廣泛的一種被動(dòng)控制裝置，一般由附加的慣性質(zhì)量、阻尼器和彈簧組成，因構(gòu)造簡單、易安裝、維護(hù)方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、可靠性高、不需要外力作用等特點(diǎn)具有優(yōu)勢。但是，對(duì)于大型風(fēng)電機(jī)組來說，塔架的一階模態(tài)質(zhì)量一般高達(dá)數(shù)百噸，TMD系統(tǒng)的質(zhì)量達(dá)到一階模態(tài)質(zhì)量的1～2%以上時(shí)才會(huì)取得比較明顯的減振效率。而風(fēng)機(jī)塔架運(yùn)行時(shí)自身振動(dòng)較大，與普通高聳建筑在結(jié)構(gòu)形式、振動(dòng)特性和受荷特點(diǎn)等方面差異較大，傳統(tǒng)的TMD減振裝置由于安裝條件的限制無法直接用于風(fēng)電機(jī)組。因此，適合風(fēng)電機(jī)組的振動(dòng)控制裝置應(yīng)在借鑒已有結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制理念的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組自身的結(jié)構(gòu)特性和工作原理進(jìn)行研究改進(jìn)。對(duì)振動(dòng)控制裝置的要求應(yīng)具有以下特點(diǎn)：

（1）振動(dòng)控制裝置應(yīng)適應(yīng)不同的荷載工況。脈動(dòng)風(fēng)、葉片轉(zhuǎn)動(dòng)以及葉片與塔架的耦合振動(dòng)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)塔架的振動(dòng)非常復(fù)雜。因此，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)、正常工作、停機(jī)以及極大風(fēng)速等不同工況下的振動(dòng)特性有很大差異，阻尼器的設(shè)計(jì)需要適應(yīng)不同的荷載工況，有效減小不同荷載工況下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的動(dòng)力響應(yīng)。

（2）振動(dòng)控制裝置應(yīng)具備方向的適應(yīng)性。風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)機(jī)艙會(huì)根據(jù)風(fēng)向自動(dòng)偏航，振動(dòng)方向隨之改變，要求振動(dòng)控制裝置的作用方向能適當(dāng)跟蹤風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)方向，以便充分發(fā)揮減振作用。對(duì)于少數(shù)因風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)質(zhì)量問題造成風(fēng)機(jī)塔架擺動(dòng)較大的情況，如果地區(qū)主風(fēng)向比較明顯固定，也可以著重研究滿足主風(fēng)向大風(fēng)速工況下的塔架減振技術(shù)，降低方向性的適應(yīng)要求，使問題得到一定的簡化。

（3）振動(dòng)控制裝置應(yīng)適應(yīng)風(fēng)機(jī)塔架的內(nèi)部空間。風(fēng)機(jī)塔架內(nèi)有電纜、安全繩索、爬梯、平臺(tái)等配件，機(jī)艙內(nèi)有齒輪箱、發(fā)電機(jī)和剎車裝置等設(shè)備，可用空間有限。因此設(shè)計(jì)振動(dòng)控制裝置時(shí)要考慮上、下運(yùn)輸?shù)目尚行裕瑤漳芨鶕?jù)風(fēng)機(jī)內(nèi)平臺(tái)的可利用空間，靈活布置。

（4）振動(dòng)控制裝置應(yīng)力求做到模板化，具有良好的經(jīng)濟(jì)性，以滿足不同型號(hào)風(fēng)機(jī)的需求，便于大批量生產(chǎn)和投入使用。

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電塔架的實(shí)際條件和目前塔架減振技術(shù)成果來看，目前同濟(jì)大學(xué)陳俊嶺等提出的一種安裝在塔架頂部平臺(tái)和機(jī)艙內(nèi)空間的多層球面直壁滾球阻尼器，通過對(duì)容器半徑和滾球半徑和數(shù)量的合理設(shè)計(jì)，使?jié)L球的滾動(dòng)頻率和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率調(diào)諧實(shí)現(xiàn)減振，減振效果明顯，已應(yīng)用于多個(gè)風(fēng)電場工程。

3 結(jié)語

綜上所述，由于風(fēng)電機(jī)組作為一種發(fā)電設(shè)備，風(fēng)力發(fā)電塔架在結(jié)構(gòu)形式、振動(dòng)特性等方面不同于一般的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的阻尼器裝置對(duì)于風(fēng)力發(fā)電塔架不具有直接應(yīng)用和安裝可行性。因此，需要工程界和研究單位進(jìn)一步根據(jù)風(fēng)機(jī)塔架和機(jī)艙內(nèi)的可利用空間，開發(fā)適應(yīng)不同的荷載工況、有一定方向適應(yīng)性和良好經(jīng)濟(jì)性的振動(dòng)控制裝置，高效、經(jīng)濟(jì)地降低風(fēng)力發(fā)電塔架的振動(dòng)，特別是對(duì)于存在施工質(zhì)量問題風(fēng)電機(jī)組，如何進(jìn)一步減小風(fēng)機(jī)塔架的振動(dòng)擺幅，提高風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全性，成為風(fēng)電行業(yè)急需解決的問題。

參考文獻(xiàn)

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