單樁式海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)振動能量分布特征研究

和慶冬，劉 強，金 波

(1.國家電投集團江蘇海上風(fēng)力發(fā)電有限公司，鹽城 224399；2.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，青島 266110)

0 引言

為實現(xiàn)清潔能源供應(yīng)、碳達峰和碳中和這一全球遠景目標，海上風(fēng)能資源開發(fā)被優(yōu)先考慮[1，2]。然而，由于眾多前期所建設(shè)的風(fēng)機逐漸進入服役壽命后期，加之海上惡劣的環(huán)境，制造商、業(yè)主和經(jīng)營者十分關(guān)注振動監(jiān)測來評估海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的可靠性，同時減少運行和維護費用[3]。業(yè)內(nèi)在葉片和機艙方面的振動監(jiān)測研究已經(jīng)大量開展[4]，同時對于塔筒和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進行振動監(jiān)測的興趣逐漸增加。塔筒和基礎(chǔ)在支撐葉片、集線器和吊艙等發(fā)電部件以及抵抗葉片產(chǎn)生的風(fēng)荷載方面發(fā)揮著重要作用，其振動變化規(guī)律和能量分布特征對整體結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要。

近年來，基于現(xiàn)場原型觀測的測試方法與監(jiān)測技術(shù)日漸成熟，對振動數(shù)據(jù)的研究多集中于結(jié)構(gòu)動態(tài)參數(shù)識別，在模態(tài)識別方面，Lian等[5]在VMD（Variational Mode Decomposition）的基礎(chǔ)上在提出了一種引入指標列來判斷分解精度的方法，從而自動確定模態(tài)階數(shù)。Liu等[6]針對海上高能噪聲污染的信號引入了狀態(tài)空間模型，在信號分解過程中引入了迭代噪聲提取和消除方法，進一步改善了模態(tài)混疊問題，提高了模態(tài)參數(shù)的識別精度。對于長期監(jiān)測數(shù)據(jù)，Kusiak等[7]利用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)集，從時域和頻域兩個不同的角度對風(fēng)機振動數(shù)據(jù)進行了分析，利用統(tǒng)計分析和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種算法對多種參數(shù)和塔架振動的關(guān)系進行了研究。董霄峰等[8～10]在長期原型觀測的基礎(chǔ)上，獲得了中國某海上風(fēng)電原型在不同工況下的結(jié)構(gòu)振動位移信號，針對海上風(fēng)電機組復(fù)雜的運行環(huán)境，重點討論了靜止、正常運行、啟動、停機和極端臺風(fēng)狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律和振動安全性，此外還對不同運行工況下誘發(fā)結(jié)構(gòu)振動的振源進行全面識別與分析。Zhao等[11]對一臺1.5MW風(fēng)力發(fā)電機組的運行狀態(tài)和塔架的振動響應(yīng)進行了長時間的監(jiān)測，詳細討論了風(fēng)力機在不同工況下的振動特性和一階、二階模態(tài)參數(shù)與風(fēng)力機運行條件的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)速工況下的振動水平最高。彭潛[12]利用近1年的實測數(shù)據(jù)對江蘇某近海風(fēng)電場的一臺單樁式風(fēng)機的健康狀態(tài)進行評估，監(jiān)測內(nèi)容包括腐蝕、傾斜、應(yīng)力、土壓力和振動，并給出了風(fēng)機的安全程度。

綜上所述，業(yè)內(nèi)對單樁式海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)的振動變化規(guī)律和能量分布特征還缺少針對性的研究。本文基于OpenFAST數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場測試得到的振動監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮坐標變換和湍流風(fēng)場，對不同環(huán)境荷載和風(fēng)機運行狀態(tài)下的風(fēng)機動力響應(yīng)特性進行相關(guān)性分析，研究了數(shù)值風(fēng)機和實際風(fēng)機結(jié)構(gòu)在典型工況下的振動變化規(guī)律和能量分布特征，并結(jié)合時頻特性對該現(xiàn)象進行了解釋。

1 OpenFAST數(shù)值風(fēng)機模擬

以國家可再生能源實驗室（NERL）公開的5MW單樁式海上風(fēng)機為例進行了數(shù)值模擬研究。利用TurbSim模擬了OpenFAST所需的湍流風(fēng)場，采用IEC標準模型的Kaimal風(fēng)譜。施加的波浪荷載根據(jù)江蘇如東近海海洋環(huán)境資料中的平均風(fēng)速對應(yīng)的波浪工況進行，采用JONSWAP譜。參照海上實測的測點分布，提取FAST在相對基礎(chǔ)頂5個高度（Level1(+0m)、Level2(+15m)、Level3(+42m)、Level4(+70m)、Level5(+83m)）處的加速度數(shù)據(jù)，湍流風(fēng)場和測點選取位置如圖1所示。

圖1 基于TurbSim模擬的湍流風(fēng)場和測點選取位置

1.1 振動特性

本文共模擬了10種不同平均風(fēng)速工況（5～23m/s）下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，每種平均風(fēng)速下模擬時長為1200s。以風(fēng)機額定風(fēng)速為11.4m/s的工況為例，各測點在機艙前-后（FA）和側(cè)向-側(cè)向（SS）方向上的加速度時程曲線如圖2所示（選取100～110s的數(shù)據(jù)用作代表）。由圖2可知，湍流風(fēng)場的使用較好地模擬了加速度的波動情況，最大加速度為0.08g，機艙FA方向的加速度幅值明顯大于SS方向的值，同時，即便是在加速度時程曲線中，也能夠明顯觀察到Level 5較Level 3（塔筒中部），Level 4處的波動幅度要小。

圖2 不同測點處加速度響應(yīng)

1.2 風(fēng)-加速度相關(guān)性

提取各測點加速度30s內(nèi)極值和對應(yīng)平均風(fēng)速，各位置處加速度極值及其風(fēng)速區(qū)間分布的關(guān)系圖如圖3所示。由圖3可知，在FA方向（圖3(a)、圖3(b)）和SS方向（圖3(c)、圖3(d)）上，加速度極值都隨著風(fēng)速的增大而線性增大，在0～6m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)，Level 5處的加速度極值與Level3，4處的值十分相近，在其余風(fēng)速范圍內(nèi)則呈現(xiàn)明顯差異；同時，F(xiàn)A和SS方向合成加速度極值分布（圖3(e)、圖3(f)）也和上述兩個方向一致，散點圖表明這3處的加速度極值相互交叉出現(xiàn)，存在塔筒中上部加速度大于塔筒頂部加速度值的現(xiàn)象。

圖3 OpenFAST各位置處加速度極值及其風(fēng)速區(qū)間分布

對OpenFAST模擬的6～9m/s風(fēng)速下不同位置處總加速度數(shù)據(jù)進行時頻分析，如圖4所示。Level 5處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，如圖4(a)所示；同樣地，在圖4(b)中，Level 3處的加速度時頻圖中2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低。而在海上風(fēng)機的模態(tài)特性中，1階模態(tài)往往會引起頂部較大的加速度，2階模態(tài)則會引起塔筒中上部較大的加速度。

圖4 不同位置加速度頻譜特性（6～9m/s）

2 海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)實測振動監(jiān)測概況及數(shù)據(jù)分析

為進一步研究實際海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)的振動能量分布，對江蘇如東某近海風(fēng)電場的一臺單樁風(fēng)機進行了研究。江蘇如東某近海風(fēng)電場區(qū)中心點離岸約44km，海底高程-2.12 m～-14.15m（1985國家高程基準），東西方向平均長約6.5 km，南北寬約5.7km，規(guī)劃面積約37km2，共安裝50臺單機容量為4MW的風(fēng)電機組，總裝機規(guī)模200MW。振動監(jiān)測在其中一臺單樁風(fēng)機上進行，風(fēng)機現(xiàn)場圖片及傳感器布置、方位圖如圖5所示。該風(fēng)機輪轂中心高度為95m，葉輪直徑為146m。2臺風(fēng)速儀被布置在相對的兩側(cè)以考慮塔筒的遮擋效應(yīng)，5個加速度傳感器沿塔筒豎向布置，其布置高度相對于標準海平面為Level1(+13m)、Level2(+25m)、Level3(+58m)、Level4(+79m)、Level5(+93m)，風(fēng)速儀和加速度的采樣頻率均為200Hz。

圖5 風(fēng)機現(xiàn)場圖片及傳感器布置、方位圖

考慮到機艙旋轉(zhuǎn)造成的影響，安裝在塔筒上的傳感器測得的響應(yīng)會有變化，因此，有必要根據(jù)SCADA提供的偏航數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換，以便這些信號將遵循由FA和SS方向定義的機艙坐標系方向，轉(zhuǎn)換方式如式(1)所示：

其中x′，Y′為機艙(移動)參考坐標，x，Y為塔筒（固定）參考坐標，t為時間變量，θ為塔筒傳感器參考方向和機艙方向之間的角度。

2.1 振動數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

選取監(jiān)測期間兩段時間6/24～6/29日和7/24～7/29日以保證分析數(shù)據(jù)中有豐富的風(fēng)速和加速度波動信息，同時保證兩段時間的潮位水平一致，6/24～6/29日風(fēng)速在1～14 m/s范圍內(nèi)波動，7/24～7/29日風(fēng)速在10～29m/s范圍內(nèi)波動。各測點每10分鐘加速度極值的變化如圖6所示，各測點在機艙FA方向的振動幅值明顯大于SS方向，圖6(c)為兩個方向加速度的疊加，可以看出，較高的加速度值不是發(fā)生在塔頂（Level 5），塔筒中部（Level 3）加速度極大值在大部分時間內(nèi)都超過了塔頂傳感器

圖6 加速度極值-時間序列變化

2.2 加速度極值-風(fēng)速相關(guān)性

由于風(fēng)激勵是影響海上風(fēng)機的響應(yīng)的主要因素，因此，圖7給出了各傳感器的加速度極值及其風(fēng)速區(qū)間分布關(guān)系圖。首先，在FA方向（圖7(a)、圖7(b)），整體上加速度極值隨著風(fēng)速呈現(xiàn)先增大再微弱減小再增大的趨勢，在風(fēng)速為3～9m/s時，Level 5處的加速度極值較Level 3位置處偏小，各測點加速度極值隨著風(fēng)速的增大線性增大；風(fēng)速為9～15m/s時，各測點加速度極值隨著風(fēng)速的增大而減?。欢陲L(fēng)速為15～20m/s時，各測點加速度極值隨著風(fēng)速的增大而又呈現(xiàn)增大的趨勢。其次，在SS方向上（圖7(c)、圖7(d)），Level 3處的加速度極值要明顯大于其余位置處，整體上加速度極值隨著風(fēng)速呈現(xiàn)先增大再減小再增大的趨勢。由于FA方向為主振方向，圖7(e)、圖7(f)所示的FA和SS方向合成的加速度極值及其均值-風(fēng)速呈現(xiàn)的規(guī)律與圖7(a)、圖7(b)相似，除3～9m/s Level 5加速度極值小于Level 3外，其余風(fēng)速段內(nèi)Level 5和Level 3，4的有效值十分接近?？梢钥闯?，總體上加速度極值隨著風(fēng)速的增長而增大，在風(fēng)速為10～15m/s左右時，葉片槳距角的調(diào)整使得風(fēng)機的振動水平呈現(xiàn)明顯降低，呈現(xiàn)“波谷”狀。

圖7 各傳感器的加速度極值及其風(fēng)速區(qū)間分布

針對上述現(xiàn)象，對6～9m/s風(fēng)速下不同位置處的總加速度數(shù)據(jù)進行時頻分析，如圖8所示。在圖8(a)中可觀察到Level 5處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，在圖8(b)中，Level 3處的加速度2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低，與數(shù)值模擬研究的結(jié)論相一致。

圖8 不同位置加速度頻譜特性（6～9m/s）

3 結(jié)語

本文基于數(shù)值模擬得到的加速度數(shù)據(jù)以及現(xiàn)場測試得到振動監(jiān)測數(shù)據(jù)和SCADA數(shù)據(jù)，對單樁式海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)振動能量分布特征進行了研究，在對數(shù)值模擬結(jié)果和長期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，研究了風(fēng)機結(jié)構(gòu)在典型工況下的振動分布特征和變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論：

1）實測數(shù)據(jù)表明，單樁式海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)振動能量分布特征和變化規(guī)律受環(huán)境荷載變化影響，在不同風(fēng)速區(qū)間內(nèi)其分布特征稍顯不同。

2）對數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)合成加速度的時頻分析表明，塔頂處的加速度3p頻率成分能量顯著，1階固有頻率成分占比較低，塔筒中部處的加速度2階固有頻率成分能量顯著，3p及1階固有頻率成分占比較低；

3）對OpenFAST數(shù)值模擬和實測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析表明，海上風(fēng)電塔筒結(jié)構(gòu)在服役過程中存在塔中加速度值大于塔頂處的現(xiàn)象，工程中對塔筒中部的疲勞強度應(yīng)予以特別關(guān)注。