海上风力发电机组抗台风设计

网络出版时间：2013-01-10 09:46网络出版地址：/kcms/detail/11.2583.TM.20130110.0946.001.html海上风力发电机组抗台风设计贺广零1，田景奎1，常德生2（1.中国电力工程顾问集团华北电力设计院工程有限公司，北京市100120；2. 大唐国际发电股份有限公司，北京市100033）摘要：为提出适合我国国情的抗台风概念设计方法，给出了台风的基本特征，分析了海上风力发电机组在台风作用下常见的失效模式。

在此基础上，探索了抗台风设计的基本理念，并提出了相应的抗台风举措。

利水电工程国家重点实验室开放基金（sklhse-2012-D-02）；华北电力设计院工程有限公司科标业项目（K2011-T03）资助。

0 引言在经历较长时间储备之后，我国即将迈入大规模的海上风电场建设阶段。

我国东海、南海风能资源丰富，适宜进行风能开发。

然而，在这两个海域，台风频频发生，抗台风设计成为海上风力发电机组设计的重要内容。

我国抗台风设计参考的规范（或标准）大多源自于欧洲，以欧洲的气候环境特征为主要背景，并未考虑热带气旋的影响，未必适合我国国情。

当然，在不计成本的前提下完成海上风力发电机组抗台风设计并非难事，困难的是如何实现海上风力发电机组精细化抗台风设计。

为此，本文立足于台风的基本特征，结合海上风力发电机组在台风作用下的失效模式，对抗台风设计进行探索。

1 台风基本特征台风对我国东南沿海影响广泛（图1）。

气象统计结果表明，1949—2012年热带气旋登陆中国大陆共531次，其中台风153次，强台风38次，超强台风6次。

由于台风具有影响区域广、风向变化率大、风切变大、持续时间长、伴随强流巨浪等诸多特点，对风电场的破坏力惊人：基础倾覆、塔筒折断、叶片撕裂、机舱罩损坏等，经济损失巨大。

为了抵御台风的破坏，降低经济损失，需要进行海上风力发电机组抗台风设计。

图1 我国近海台风统计结果Fig.1 Statistical results of offshore typhoons in China1.1 极值风速大超大的极值风速则是台风的突出特征。

2003年9月2日，13号台风“杜鹃”在汕尾登陆，登陆时中心附近最大风力达到12级，附近某风电场测得极值风速为57 m/s。

2006年5月18日，1号强台风“珍珠”凌晨穿过南澳岛，在广东澄海登陆，登录时风力为12级，南澳某风电场测得瞬时风速高达到56.5 m/s。

2006年8月10日，第8号超强台风“桑美”在浙江苍南沿海登陆，登陆时中心附近最大风力为17级（60 m/s），中心气压为920 hPa，浙江苍南霞关观测到的极值风速为68.0 m/s，福建福鼎合掌岩观测到的极值风速为75.8 m/s。

理论上，风电场测得极值风速要比实际情况小，因为测风系统在遭遇台风时通常就损坏了，无法捕捉之后更大的瞬时风速。

迄今，海上风力发电机组多依据IEC规范或者GL规范进行抗台风设计。

其中，IEC 61400—1标准“Wind turbine generator systems – Part 1：Safety requirements” [1]将风力发电机组设计等级分为4级，分别对应着不同的参考风速：50、42.5、37.5、30 m/s。

GL规范“Guideline for the Certification of Offsh ore Wind Turbines” [2]亦将风力发电机组设计等级分为4级，分别对应着不同的参考风速：50、42.5、37.5 m/s和S（依据现场确定）。

不难发现，尽管GL规范提出了第4种参考风速（即依据现场确定极值风速），大大提高了规范的权威性，但总体上这2种规范对于台风风速的规定与我国实际情况有较大出入，并不适合我国具体国情，盲目照办必将出现难以预料的后果。

因此，在我国海域进行海上风力发电机组抗台风设计时，有必要提出适合我国国情的台风极值风速模型。

让人欣喜的是，国内已有部分科研机构正在进行这方面的研究，并取得了一定的成果[3]。

我国各海域的极值风速各不相同，但总体布局有一定的规律性。

一般，我国海域50年一遇最大风速的规律为：东海和黄海风速由南向北递减，其中东海风速为35.0~55.0 m/s；北黄海和渤海海域由于受台风影响次数较少，不作详细分析；南海风速由西向东递增，风速变化于35.0~70.0 m/s；江苏近海风速为25.0~35.0 m/s，杭州湾和长江口风速为30.0~40.0 m/s；浙江中南部、福建北部近海，热带气旋引起的大风最强，风速达45.0~50.0 m/s；福建中南部近海，由于台湾岛对台风的阻挡和削减作用，其受台风影响程度明显比其南北相邻海域小，风速为40.0~45.0 m/s；海南省东南海域、广东东部近海，受台风影响程度较其他海域大，风速大于45.0 m/s；由于雷州半岛和海南岛对台风的削弱作用，北部湾海域风速小于40.0 m/s。

由于极值风速随着时间的推移、气候的调整而变化，故而如何准确预测将来要发生的极值风速是一大难题。

倘若单纯地以过去的实测极值风速作为现今的设计风速，即忽略极值风速的时间效应，则很有可能低估极值风速，从而留下安全隐患。

比较合理的方法是认为极值风速是一个随机变量，满足某种概率分布模型，并依据实测极值风速确定模型中的各项待定参数。

在给定超越概率的条件下，即可根据该概率分布模型预测将来可能出现的极值风速。

由于热带气旋出现的随机性很大，对于某一具体地点而言，有些年份可能遭遇多次，有些年份可能一次都没有，因此常规的极值分布模型（如极值Ⅰ型分布、Weibull分布等）未必适用，需要建立能够全面描述这种风速序列特征的极值分布模型。

为此，文献[4]提出了Poisson-Gumbel联合分布模型，能够较为客观地预测未来可能出现的极值风速。

进一步地，借助分形特征分析，文献[5]能够从更长的时间尺度范围内实现极值风速分析与预测，以满足实际工程需要。

1.2 非平稳性强假如随机过程的随机特征随时间变化，则称该随机过程是非平稳的[6]。

风速是一种典型的随机过程，具有一定的非平稳性，而台风风速的非平稳性要远胜于一般风速。

众所周知，风速可分为平均风速和脉动风速，风速的非平稳性通常是指其脉动性，可通过脉动风速来体现。

然而，对于台风风速而言，其非平稳性不仅体现在风速的脉动性，而且也包括平均风速自身强烈的非平稳性。

若将台风中的平均风速部分提取出来，发现其不再是一条直线（即平均风速不再是一个常数），而是一条类似于墨西哥帽形状的曲线（图2）。

台风风速的强非平稳性可以通过湍流强度（定义为10 min脉动风速的标准差与平均风速的比值）来衡量。

实测数据表明，台风中心的湍流强度可达到0.6~0.9，远大于无台风时的湍流强度（<0.1）。

高湍流将导致17级台风瞬时风速突破100 m/s，此时风力发电机组将承受巨大的风荷载。

图2 台风平均风速曲线Fig.2 Mean wind velocity curve of the typhoon对于台风非平稳性的研究主要目的在于分析由其导致的动力效应，并进而确定在台风情况下的结构动力放大系数。

在现有的设计规范当中，动力放大系数的确定方法均立足于常规风速，并未考虑到台风风速的强非平稳性。

因此，依据现有的规范进行抗台风设计，极有可能低估结构的动力响应。

鉴于此，在进行结构抗台风设计时，宜依据场地实测台风风速时程进行结构随机动力响应分析，获取较为准确的动力放大系数。

如果不具备条件，则应考虑台风风速的强非平稳性，提出适合台风风速的动力放大系数确定方法。

事实上，台风风速的强非平稳性对风力发电机组的结构强度破坏和疲劳失效休戚相关。

台风风速的强非平稳性会导致较大的风力发电机组极端荷载，依据经典随机振动理论，将产生较大的结构随机动力响应，从而引起结构强度破坏。

此外，由于产生的结构随机动力响应幅值较大，在反复循环荷载作用下亦容易引发疲劳失效。

1.3 风向变化快当台风经过时，测风点的风向在数小时内发生根本性的变化，变化角度通常会超过45°，甚至可能达到180°，亦即之前的北风、东北风转为南风、西南风[7]。

风向的剧烈变化对风力发电机组的影响也极为显著，表现在：（1）对于已经顺桨停机的变桨矩风力发电机组而言，风向突变意味着主风向从风力发电机组的正前方转到侧面，整个风力发电机组的受风面积也随之改变。

一般来说，如果风力发电机组失去偏航能力（偏航系统在遭遇台风时可能损坏），则90°侧吹时塔筒平均倾覆力矩将比对风时大约增加37%，从而直接威胁到结构安全。

（2）侧风和湍流使风叶受力最不利，继而造成风力发电机组的偏航系统损坏。

1.4 与巨浪同步由于环境特点，海上风力发电机组需要承受海风、波浪、地震等多重随机荷载。

一般来说，台风、巨浪、强震等多重极端荷载难以同时出现。

尤其对于台风和强震，其间并不存在必然的物理关系，故而同时出现的概率极小。

但台风和巨浪则不同，由于其间存在直接的能量传递关系，故而二者同时出现的概率大为提高，亦即：台风通常伴随风暴潮。

依据拟层流风浪生成机制[8]，随着台风的不断发展和加强，波高也随着风速的增大而增高，波高与风速大致成正比关系，且二者峰值之间存在一个时间差。

西北太平洋50个台风的波浪统计资料表明，在台风初始阶段，海面上虽有较大风速，但波高不大，通常是台风外围有约3 m的大浪，而在台风中心附近有4~5 m的巨浪。

在台风发展阶段，波高也随着台风风速的增大而增加。

当台风发展到成熟阶段时，风速不再增大，而大风范围逐渐向外扩展，在这个阶段内，波高也已充分成长，波高不再增大，而巨浪区的范围向台风外围扩展。

当台风处于消失或者减弱阶段，风速随之减小，但台风影响的海域仍有较大的波高。

台风中心的巨浪形成后，就从台风中心向四周传播。

海上风力发电机组在台风与巨浪联合作用下，除结构强度破坏和疲劳失效，还容易出现海床过度冲刷、剪切破坏、海床液化等海床失稳现象[9]，兹不赘述。

2 海上风电机组失效模式2.1 整体倾覆海上风力发电机组在台风作用下，如果基础尺寸或者埋深不够，将导致基底大面积脱开，进而结构整体倾覆。

这种结构失效形式又称为颠覆性破坏，将带来巨大的经济损失。

2003年9月，台风“鸣蝉”登陆日本冲绳群岛的宫古岛，造成1台500 kW变桨距风力发电机组由于基底脱开而倾覆。

2006年8月，台风“桑美”登陆我国东南沿海，浙江苍南鹤顶山风电场有2台750 kW风力发电机组因台风风速过大、结构不能满足抗倾覆要求而被“连根拔起”（图３）。

值得说明的是，鹤顶山风电场风机基础采用二次浇筑而成，先浇筑一块正方形的钢筋混凝土底板，然后再将基础筒置于该底板上进行第二次浇筑，上、下两部分通过预留插筋连成一体。