海上风电机的抗台风设计
海上风电机的抗台风设计
吴金城;张容焱;张秀芝
【摘 要】风电机组的制造成本和使用寿命取决于运行中的疲劳载荷、极端载荷和设计所依据的标准.目前,设计风电机组依据的大都是以欧洲环境特征为背景的标准,不加考虑地在台风地区使用会增加风险或制造成本.只有充分认识台风的气候特征和对风电机组的破坏机理,综合考虑,才能设计制造既能抗台风又能确保项目经济可行的风电设备.
【期刊名称】《中国工程科学》
【年(卷),期】2010(012)011
端午节寄语【总页数】7页(P25-31)
【关键词】风电机组;台风;设计
【作 者】吴金城;张容焱;张秀芝
【作者单位】浙江风力发电发展有限公司,杭州,310008;福建省气候中心,福州,350001;国家气候中心,北京,100081
【正文语种】中 文
【中图分类】TM6
1 前言
近年来，风力发电在我国飞速发展，每年的新增装机容量都超过100%，北至黑龙江、南到海南岛，东起浙江、西临新疆阿拉山口，幅员广阔的神州大地兴起风电开发高潮，投运的风电机组也从10年前的单机600 kW迅速发展为陆地1．5 MW、海上3 MW为主的兆瓦型风电机组。然而，相对于我国辽阔国土和气候差别巨大的环境特点，风电机组的设计和制造与市场的需求有一定的差距。
当今国内外风力发电机组的设计都依据相关的专业标准，以确保风电机在标准规定的环境条件下能持续可靠运行。受市场发展先后的影响，这些标准大多起源于欧洲国家，以欧洲的气候环境特征为主要依据，并未考虑热带气旋的影响，根据这样的标准设计的风电机很
难保证在台风地区也能可靠运行。当然，在不计成本的前提下设计一台抗强风的风电机组并非难事，难的是为可能遭遇台风的风场设计经济可行的风电机组。IEC制定的设计风力发电机组的安全标准IEC61400－1是目前得到广泛认可的设计标准之一，2001年我国出版的《风力发电机组安全要求》(GB18451．1－2001)等同采用了IEC61400－1:1999《风力发电机组安全要求》，为了简化风电机技术规格并提高标准的可用性，标准定义了一系列标准风况，并据此将风电机分类。轮毂高度处的年平均风速、湍流强度和极端风况是标准进行风机分类的三类主要参数。但问题是标准定义的外部环境和极端情况不适合台风影响下的风场，所以，IEC61400－1明确说明:标准定义的风况I，II和III既不适合海上风场，也不适用于台风影响下的风场。因此，不能指望依据上述标准设计的风电机在台风中有足够的可靠性。近些年，一些风电机组在台风影响过程中出现的问题足以说明该标准的不足。
我国东南沿海是风能资源丰富区，适宜进行风电开发，2009年第一个100 MW级海上风电场已在上海安装投运。但是，这一地区夏季常受台风影响，以浙江为例，1949―2007年的59年中，出现影响台风182个，平均每年3．1个，最多的年份1年有6个台风。自1997年浙江省规模化开发风电以来，共有23个台风影响浙江省，而其中对风电设备造成百万元以上破坏的有8个台风，千万元以上损失的有两个台风。2003年9月2日，登陆广东省的“杜鹃”台
风也造成汕尾某风电场损失上千万元。而且，随着新建风电场单机容量的增加，特别是海上风电场，一旦发生台风灾害，其破坏程度将愈加严重。因此，制定适合我国及东南亚风况特的风电机设计标准，设计和制造有抗台风能力的风电机组，对我国东南沿海的风电开发尤为重要。
2 台风过程的风特征
这里所谈的台风概指中心附近最大风力在12级以上的热带气旋。台风影响过程与冷空气大风相比有3个不同特点:极端风速、异常湍流和突变风向，这些因素是设计不当的风电机组在台风中易受破坏的主要原因。
婚姻法房产2．1 极端风速
台风是一个低气压系统，在水平气压的作用下，外围气流从四面吹向台风中心，在赤道以北受地球自转的影响，卷入的气流以逆时针旋转，越向台风内部旋进，切向风速也越大。台风经过地区，气压曲线呈漏斗状，伴随着气压的陡降陡升，风向会从东北风突变为南风和西南风。通常台风风眼边缘宽度10～20 km的云墙区是台风破坏力最猛烈、最集中的区
威尔史密斯好看的电影域，而台风前进方向的右前方风力最为强大。随着台风中心的靠近，各高度风速逐渐增大，在风眼经过时，风速会突然大幅度减小，10～30 min后(取决于台风风眼大小和移动速度)风速又突然增大，然后随着台风的离去慢慢减小。通常，台风风眼到达前一刻的北风强度最大，2006年的桑美台风于8月10日17时25分在闽浙交界处沿海登陆，位于台风中心附近偏北处的浙江苍南风电场倒塔的5台风电机都是在这一刻被北风吹倒的。在桑美台风中心登陆过程中，气象站10 m高度的3 s平均极大风速为68 m/s，而当地风电场苍南测风塔(见图1)45 m高度10 min平均最大风速为60．1 m/s、极大风速为81．1 m/s，这些数据都是测风塔倒塔前测的数据，真实风速可能还要大。作用在物体上的风载荷与风速平方成正比，可以想象台风过程中出现的极端风速对风电设备的巨大影响。
图1 “桑美”台风过程中的风速和气压Fig．1 W ind speed and atmospheric pressure during typhoon Saomai landing
2．2 异常湍流
湍流强度定义为风速随机变化幅度大小，是10 min脉动风速的标准偏差与同期水平平均风速的比率。湍流强度是描述一个地区风场风况和进行风电机分类的重要指标之一。它使风
电机组运行中承受疲劳载荷，不仅影响风电机的输出功率，而且对风电机组性能和寿命有直接影响。台风过程中，湍流扰动引发风电机组某些部件产生一种随机的强迫振动，强烈的湍流扰动可能是变桨机组的变桨机构损坏的主要原因。
超强台风“桑美”登陆期间，在台风中心附近，风向、风速出现突变，高低层湍流强度同时发生大小不一的突增现象(见图2(a));有时高层湍流强度值会超过低层(见图2(b));离台风中心较远的地方(见图2(c))，湍流突变不明显。可见，台风过程中的湍流强度有其独特之处，它不仅与下垫面状况有关，还与距台风中心远近有关，越靠近台风中心，发生异常湍流现象越明显。
2．3 突变风向
图2 “桑美”超强台风影响期间测风塔风速、风向、湍流强度变化图Fig．2 W ind speed，direction and turbulence on 3 sites during Saomai landing
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台风中心通过时，所有测风点的风向在短时内(小于6 h)变化角度超过45°(见图2)，靠近中心位置的甚至会发生120°～180°的突变，从之前的东北风转为南风、西南风。风向的剧烈
变化对风电机组的影响也非常大。对于已经顺桨停机的变桨风电机组而言，风向突变意味着主风向从风电机的正前方转到侧面和侧后方，整个风电机的受风面积也随之变化，通常侧面吹来的风产生的风压比正前方来风的风压大30%以上，同时，侧风和湍流使风叶受力最不利，继而造成风电机组的偏航系统损坏。台风登陆过程中风电场外部电网往往也遭受破坏，使得风电机组无法按预先的控制策略进行操作，增加了风电机组损害程度。
3 台风对风电机的破坏机理
造成风电设备在台风过程中破坏的主要原因有以下3个:台风登陆过程中的风特征、风电场的外部环境和风电设备自身结构，其中风特征是风电机组损坏的主要因素，可造成风电机组结构屈服、设备失控。
3．1 结构破坏
极端风速作用在风电机组上的风荷载与风速平方成正比，当它大于结构强度的设计值时，结构材料发生屈服破坏。2003年3月登陆西南太平洋上新喀里多尼亚的“埃丽卡”台风造成岛上洋李风电场20台V27桁架式塔架风电机中的5台倒塔，12台严重损坏［1］。2003年9月
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登陆宫古岛的“鸣蝉”台风造成2台400 kW失速型风电机倒塔，1台变桨风电机基础破坏而倾倒［2］。2006年8月的“桑美”台风登陆过程中，3台600 kW风电机因塔架折断而倾倒(见图3)。
图3 “桑美”台风中破坏的风电机和叶片Fig．3 Blade damaged by typhoon
在“桑美”台风通过风电场时，一台风电机的3支叶片在根部断裂，估计主要原因是强风使风轮轮毂中的变桨机构损坏，叶片角度变化后增加了叶片的迎风面积，导致3叶片在根部断裂。
3．2 叶片扭振
台风过程中的异常湍流造成风电机振动，部分部件和结构损坏。湍流强度极大的气流使叶片扭动，当气流变化产生的激振荷载强劲而又与该叶片的固有频率相近时，叶片翼壳后沿可能产生以主梁为转轴的扭谐振，扭谐振引发叶片的极端疲劳荷载。疲劳损坏在应力集中地方开始生成极小裂纹，继而延伸至粘胶层内部和叶片蒙皮的相邻区域，最终导致粘胶和复合蒙皮强度的降低，上下蒙皮汇合处的后翼沿开裂以及叶片蒙皮断裂。
当叶片在狂风吹拂下产生剧烈扭谐振时，变桨机构的受力大大超过了设计值，部分连接叶片和三角支架的拐臂断裂，或者三角支架本身破裂(见图4)，叶片位置失去控制导致一些风轮带着机械刹车旋转甚至失控飞车。2003年的“鸣蝉”台风也造成一些变桨风电机的变桨机构损坏。变桨风电机在正常的大风停机后，叶片都转到90°的顺桨位置，但在系统失电后，机械刹车动作，刹住了风轮，阻止它自由转动，固定不转的风轮在台风湍流中易发生扭谐振，并且往往使某一支叶片受力过大而折断。
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