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第一章风力发电机组结构1.8 控制系统控制系统利用微处理器、逻辑程序控制器或单片机通过对运行过程中输入信号的采集传输、分析，来控制风电机组的转速和功率；如发生故障或其他异常情况能自动地检测平分析确定原因，自动调整排除故障或进入保护状态。
控控制系统的主要任务就是自动控制风机组运行，依照其特性自动检测故障并根据情况采取相应的措施。
控制系统包括控制和检测两部分。
控制部分又设置了手动和自动两种模式，运行维护人员可在现场根据需要进行手动控制，而自动控制应在无人值班的条件下预先设置控制策略，保证机组正常安全运行。
检测部分将各传感器采集到的数据送到控制器，经过处理作为控制参数或作为原始记录储存起来，在机组控制器的显示屏上可以查询。
现场数据可通过网络或电信系统送到风电场中央控制室的电脑系统，还能传输到业主所在城市的总部办公室。
安全系统要保证机组在发生非常情况时立即停机，预防或减轻故障损失。
例如定桨距风电机组的叶尖制动片在运行时利用液压系统的高压油保持与叶片外形组合成一个整体，同时保持机械制动器的制动钳处于松开状态，一旦发生液压系统失灵或电网停电，叶尖制动片和制动钳将在弹簧作用下立即使叶尖制动片旋转约90°，制动钳变为夹紧状态，风轮被制动停止旋转。
根据风电机组的结构和载荷状态、风况、变桨变速特点及其他外部条件，将风电机组的运行情况主要分为以下几类：待机状态、发电状态、大风停机方式、故障停机方式、人工停机方式和紧急停机方式。
（1）待机状态风轮自由转动，机组不发电（风速为0~3m/s），刹车释放。
（2）发电状态发电状态Ⅰ：启动后，到额定风速前，刹车释放。
发电状态Ⅱ：额定风速到切出风速（风速12~25m/s），刹车释放。
（3）故障停机方式：故障停机方式分为：可自启动故障和不可自启动故障。
停机方式为正常刹车程序：即先叶片顺桨，党当发动机转速降至设定值后，启动机械刹车。
（4）人工停机方式：这一方式下的刹车为正常刹车，即先叶片顺桨，当发电机转速降至设定值后启动机械刹车。
风力发电机组的塔架结构与材料选择随着全球对可再生能源的需求不断增长，风力发电作为一种环保且可持续发展的能源形式得到了广泛应用。
风力发电机组作为风能转化为电能的核心装置，其塔架结构及材料选择是确保风力发电机组安全稳定运行的关键因素之一。
本文将就风力发电机组塔架结构的设计原则以及材料选择进行探讨。
风力发电机组塔架的设计要考虑到多个因素，包括塔架结构的稳定性、制造成本、可维护性以及环境适应能力。
首先，塔架的稳定性是设计的首要考虑因素。
由于风力发电机组需要面对高风速和恶劣天气条件，塔架的设计必须能够承受风力的作用力。
合理的塔架结构设计能够有效减少风力对于机组的影响，保证机组的稳定运行。
其次，制造成本是设计的另一重要因素。
塔架的制造成本应该尽可能低廉，以提高风力发电项目的经济性。
此外，塔架的可维护性也需要被充分考虑，包括易于维修和更新塔架组件，以降低维护费用和延长设备的使用寿命。
最后，塔架应该具备良好的环境适应能力，能够适应不同地理和气候条件下的使用环境。
塔架的主要结构形式包括悬吊式塔架和支承式塔架。
悬吊式塔架将塔身悬挂在机组上方，通过索具连接，使得塔身与地面无直接接触。
悬吊式塔架结构简单、制造成本相对较低，且易于维护。
然而，悬吊式塔架在强风条件下存在共振问题，且需要更强的基础支撑。
支承式塔架则通过底座支撑机组，塔身直接连接至地面。
支承式塔架结构稳定，适应性强，具有较好的抗风性能。
但支承式塔架相对更复杂，制造成本较高，且施工难度较大。
对于风力发电机组塔架的材料选择，主要考虑因素包括强度要求、耐腐蚀性、可加工性和成本等。
目前常用的塔架材料主要有钢材、混凝土和复合材料。
钢材具有较高的强度、较好的可加工性和较低的成本，广泛应用于风电场。
同时，钢材材料也具备良好的耐腐蚀性能，可在各种环境下使用。
混凝土作为一种廉价且易于加工的材料，其承受力较大，在塔架结构设计中也常被采用。
然而，混凝土塔架有一定的制造和维护难度，需特别注意避免混凝土缺陷和裂缝的产生。
1 范围1.0.1本标准规定了风电场风电机组塔架地基基础设计的基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、环境条件、荷载、结构设计、地基处理、检验与监测等内容。
1.0.2本标准适用于新建的陆上风电场风电机组塔架的地基基础设计。
工程竣工验收和已建工程的改（扩建）、安全定检，应参照本标准执行。
1.0.3风电场风电机组塔架的地基基础设计除应符合本标准外，对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。
2 规范性引用文件下列标准中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用标准，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些标准的最新版本。
凡是不注日期的引用标准，其最新版本适用于本标准。
GB 18306 中国地震动参数区划图GB 18451.1 风力发电机组安全要求GB 50007 建筑地基基础设计规范GB 50009 建筑结构荷载设计规范GB 50010 混凝土结构设计规范GB 50011 建筑抗震设计规范GB 50021 岩土工程勘察规范GB 50046 工业建筑防腐蚀设计规范GB 50153 工程结构可靠度设计统一标准GB 60223 建筑工程抗震设防分类标准GB 50287 水力发电工程地质勘察规范GBJ 146 粉煤灰混凝土应用技术规范FD 002—2007 风电场工程等级划分及设计安全标准 DL/T 5082 水工建筑物抗冰冻设计规范JB/T10300 风力发电机组设计要求JGJ 24 民用建筑热工设计规程JGJ 94 建筑桩基技术规范JGJ 106 建筑基桩检测技术规范JTJ 275 海港工程混凝土防腐蚀技术规范3 总则3.0.1为统一风电场风电机组塔架地基基础设计的内容和深度，特制定本标准。
3.0.2风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。
1 范围1.0.1 本标准规定了风电场风电机组塔架地基基础设计的基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、环境条件、荷载、结构设计、地基处理、检验与监测等内容。
1.0.2 本标准适用于新建的陆上风电场风电机组塔架的地基基础设计。
工程竣工验收和已建工程的改（扩建）、安全定检，应参照本标准执行。
1.0.3 风电场风电机组塔架的地基基础设计除应符合本标准外，对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。
2 规范性引用文件下列标准中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用标准，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些标准的最新版本。
凡是不注日期的引用标准，其最新版本适用于本标准。
GB 18306 中国地震动参数区划图GB 18451.1 风力发电机组安全要求GB 50007 建筑地基基础设计规范GB 50009 建筑结构荷载设计规范GB 50010 混凝土结构设计规范GB 50011 建筑抗震设计规范GB 50021 岩土工程勘察规范GB 50046 工业建筑防腐蚀设计规范GB 50153 工程结构可靠度设计统一标准GB 60223 建筑工程抗震设防分类标准GB 50287 水力发电工程地质勘察规范GBJ 146 粉煤灰混凝土应用技术规范FD 002—2007 风电场工程等级划分及设计安全标准DL/T 5082 水工建筑物抗冰冻设计规范JB/T10300 风力发电机组设计要求JGJ 24 民用建筑热工设计规程JGJ 94 建筑桩基技术规范JGJ 106 建筑基桩检测技术规范JTJ 275 海港工程混凝土防腐蚀技术规范3 总则3.0.1 为统一风电场风电机组塔架地基基础设计的内容和深度，特制定本标准。
3.0.2 风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。
1 围1.0.1 本标准规定了风电场风电机组塔架地基基础设计的基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、环境条件、荷载、结构设计、地基处理、检验与监测等容。
1.0.2 本标准适用于新建的陆上风电场风电机组塔架的地基基础设计。
工程竣工验收和已建工程的改（扩建）、安全定检，应参照本标准执行。
1.0.3 风电场风电机组塔架的地基基础设计除应符合本标准外，对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。
2 规性引用文件下列标准中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用标准，其随后所有的修改单（不包括勘误的容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些标准的最新版本。
凡是不注日期的引用标准，其最新版本适用于本标准。
GB 18306 中国地震动参数区划图GB 18451.1 风力发电机组安全要求GB 50007 建筑地基基础设计规GB 50009 建筑结构荷载设计规GB 50010 混凝土结构设计规GB 50011 建筑抗震设计规GB 50021 岩土工程勘察规GB 50046 工业建筑防腐蚀设计规GB 50153 工程结构可靠度设计统一标准GB 60223 建筑工程抗震设防分类标准GB 50287 水力发电工程地质勘察规GBJ 146 粉煤灰混凝土应用技术规FD 002—2007 风电场工程等级划分及设计安全标准DL/T 5082 水工建筑物抗冰冻设计规JB/T10300 风力发电机组设计要求JGJ 24 民用建筑热工设计规程JGJ 94 建筑桩基技术规JGJ 106 建筑基桩检测技术规JTJ 275 海港工程混凝土防腐蚀技术规3 总则3.0.1 为统一风电场风电机组塔架地基基础设计的容和深度，特制定本标准。
3.0.2 风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。
#+1范围1.0.1 本标准规定了风电场风电机组塔架地基基础设计的基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、环境条件、荷载、结构设计、地基处理、检验与监测等内容。
1.0.2本标准适用于新建的陆上风电场风电机组塔架的地基基础设计。
工程竣工验收和已建工程的改（扩建）、安全定检，应参照本标准执行。
1.0.3风电场风电机组塔架的地基基础设计除应符合本标准外，对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。
#+2规范性引用文件下列标准中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用标准，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些标准的最新版本。
凡是不注日期的引用标准，其最新版本适用于本标准。
GB 18306中国地震动参数区划图GB 18451.1风力发电机组安全要求GB 50007建筑地基基础设计规范GB 50009建筑结构荷载设计规范GB 50010混凝土结构设计规范GB 50011建筑抗震设计规范GB 50021岩土工程勘察规范GB 50046工业建筑防腐蚀设计规范GB 50153工程结构可靠度设计统一标准GB 60223建筑工程抗震设防分类标准GB 50287水力发电工程地质勘察规范GBJ 146粉煤灰混凝土应用技术规范FD 002—2007风电场工程等级划分及设计安全标准DL/T 5082水工建筑物抗冰冻设计规范JB/T10300风力发电机组设计要求JGJ 24民用建筑热工设计规程JGJ 94建筑桩基技术规范JGJ 106建筑基桩检测技术规范JTJ 275海港工程混凝土防腐蚀技术规范3总则3.0.1为统一风电场风电机组塔架地基基础设计的内容和深度，特制定本标准。
3.0.2风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。
1 欧阳歌谷创编 2021年2月1 范围欧阳歌谷（2021.02.01）1.0.1本标准规定了风电场风电机组塔架地基基础设计的基本原则和方法，涉及地基基础的工程地质条件、环境条件、荷载、结构设计、地基处理、检验与监测等内容。
1.0.2本标准适用于新建的陆上风电场风电机组塔架的地基基础设计。
工程竣工验收和已建工程的改（扩建）、安全定检，应参照本标准执行。
1.0.3风电场风电机组塔架的地基基础设计除应符合本标准外，对于湿陷性土、多年冻土、膨胀土和处于侵蚀环境、受温度影响的地基等，尚应符合国家现行有关标准的要求。
2 规范性引用文件下列标准中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。
凡是注日期的引用标准，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准，然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些标准的最新版本。
凡是不注日期的引用标准，其最新版本适用于本标准。
GB 18306 中国地震动参数区划图GB 18451.1 风力发电机组安全要求GB 50007 建筑地基基础设计规范GB 50009 建筑结构荷载设计规范GB 50010 混凝土结构设计规范GB 50011 建筑抗震设计规范GB 50021 岩土工程勘察规范GB 50046 工业建筑防腐蚀设计规范GB 50153 工程结构可靠度设计统一标准GB 60223 建筑工程抗震设防分类标准GB 50287 水力发电工程地质勘察规范GBJ 146 粉煤灰混凝土应用技术规范FD 002—2007 风电场工程等级划分及设计安全标准DL/T 5082 水工建筑物抗冰冻设计规范JB/T10300 风力发电机组设计要求JGJ 24 民用建筑热工设计规程JGJ 94 建筑桩基技术规范JGJ 106 建筑基桩检测技术规范JTJ 275 海港工程混凝土防腐蚀技术规范3 总则3.0.1为统一风电场风电机组塔架地基基础设计的内容和深度，特制定本标准。
3.0.2风电机组地基基础设计应贯彻国家技术经济政策，坚持因地制宜、保护环境和节约资源的原则，充分考虑结构的受力特点，做到安全适用、经济合理、技术先进。
风力发电机组的塔架与基础
第一节塔架
塔架和基础是风力发电机组的主要承载部件。
其重要性随着风力发电机组的容量增加，高度增加，愈来愈明显。
在风力发电机组中塔架的重量占风力发电机组总重的1/2左右，其成本占风力发电机组制造成本的50% 左右，由此可见塔架在风力发电机组设计与制造中的重要性。
由于近年来风力发电机组容量已达到2~3MW，风轮直径达80~100m，塔架高度达100m。
在德国，风力发电机组塔架设计必须经过建筑部门的批准和安全证明。
一、塔架的结构与类型
塔架主要分为桁架型和圆筒型。
桁架型塔架如图10-1示。
桁架型塔架在早期风力发电机组中大量使用，其主要优点为制造简单、成本低、运输方便，但其主要缺点为不美观，通向塔顶的上下梯子不好安排，上下时安全性差。
圆筒型塔架如图10-2 示。
在当前风力发电机组中大量采用，其优点是美观大方，上下塔架安全可靠。
以结构材料可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架。
钢筋混凝土塔架在早期风力发电机组中大量被应用，如我国福建平潭55kW风力发电机组（1980年）、丹麦Tvid2MW风力发电机组（1980年），后来由于风力发电机组大批量生产，从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代。
近年随着风力发电机组容量的增加，塔架的体积增大，使得塔架运输出现困难，又有以钢筋混凝土塔架取代钢结构塔架的苗头。
二、塔架的设计与计算
塔架的主要功能是支承风力发电机的机
械部件，发电系统（重力负载），承受风轮的作用力和风作用在塔架上的力（弯矩、推力及对塔架的扭力），塔架还必须具有足够的疲劳强度，能承受风轮引起的振动载荷，包括起动和停机的周期性影响、突风变化、塔影效应等。
塔架的刚度要适度，其自振频率（弯曲及扭转）要避开运行频率（风轮旋转频率的3倍）的整数倍。
塔架自振频率高于运行频率的塔称之为刚塔，低于运行频率的塔称之为柔塔。
1. 塔架静强度的载荷条件
1）横吹：风速为65m/s（2s 平均）风轮不转动，叶片顺桨，风向是横向吹在机舱上。
2）正常运行十地震载负：风速为额定风速时，产生的风轮轴向力最大，同时根据均匀建筑物由地震产生的水平载荷因子，将其产生的惯性力加在风轮轴向推力上。
3）最大运行载荷：额定风速下正常运行载荷的2倍。
2. 塔架风载分析及随机振动理论基础从实际风速记录可知，风速的变化是没有规律的，也不可能用常规的方法给予定义。
风速的波动量只能用统计特性进行描述。
组安装在荒野、高山、海岛，承受日晒雨淋，甚至沙尘和盐雾的腐蚀。
所以其表面防锈处理十分重要。
通常表面采用热镀锌，喷锌或喷漆处理。
一般表面防锈处理要达到20年以上的寿命。
第二节风力发电机组基础的设计与施工
一、基础的结构与类型
1.根据风力发电机组型号与容量自身特性，要求基础承载载荷也各不相同，表10-1列出几种大型风力发电机基础载荷。
2.风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础。
根据风电场场址工程地质条件和地基承载力以及基础荷载、尺寸大小不同，从结构的形式看，常用的可分为块状基础和框架式基础两种。
块状基础，即实体重力式基础，应用广泛，对基础进行动力分析时，可以忽略基础的变形，并将基础作为刚性体来处理，而仅考虑地基的变形。
按其结构剖面又可分为“ 凹”形和“凸”
形两种；前者如图10-5所示，基础整个为方形实体钢筋混凝土后者如图10-6型式；后者与前者相比，均属实体基础，区别在于扩展的底座盘上回填土也成了基础重力的一部分，这样可节省材料降低费用。
框架式基础实为桩基群与平面板梁的组合体，从单个桩基持力特性看，又分为摩擦桩基和端承桩基两种：桩上的荷载由桩侧摩擦力和桩端阻力共同承受的为摩擦桩基础；桩上荷载主要由桩端阻力承受的则为端承桩基础。
3. 根据基础与塔架（机身）连接方式又可分为地脚螺栓式和法兰式筒式两种类型基础。
前者塔架用螺母与尼龙弹垫平垫固定在地肢螺栓上，后者塔架法兰与基础段法兰用螺栓对接。
地脚螺栓式又分为单排螺栓、双排螺栓、单排螺栓带上下法兰圈等。
二、风力发电机组基础设计的前期准备工作及有关注意事项
风力发电机组的基础用于安装、支承风力发电机组。
平衡风力发电机组在运行过程中所产生的各种载荷，以保证机组安全、稳定地运行。
因此，在设计风力发电机组基础之前，必须对机组的安装现场进行工程地质勘察。
充分了解、研究地基土层的成因及构造，它的物理力学性质等，从而对现场的工程地质条件作出正确的评价。
这是进行风力发电机基础设计的先决条件。
同时还必须注意到，由于风力发电机组的安装，将使地基中原有的应力状态发生变化，故还需应用力学的方法来研究载荷作用下地基土的变形和强度问题。
以使地基基础的设计满足以下两个基本条件：
1）要求作用于地基上的载荷不超过地基容许的承载能力，以保证地基在防止整体破坏方面有足够的安全储备。
2）控制基础的沉降，使其不超过地基容许的变形值。
以保证风力发电机组不因地基的变形而损坏或影响机组的正常运行。
因此，风力发电机组基础设计的前期准备工作是保证机组正常运行必不可少的重要环节。
三、风力发电机组对基础的要求及基础的受力状况
图10-3所示为某风力发电机组，当风力发电机组运行时，机组除承受自身的重量Q处，还要承受由风轮产生的正压力P、风载荷q以及机组调各时所产生的扭矩M n等载荷的作用。
这些载荷主要是靠基础予以平衡，以确保机组安全、稳定运行。
图10-7 显示了上述这些载荷在基础上的作用状况，图中Q和G分别为机组及基础的自重。
倾覆力矩M是由机组自重的偏心、风轮产生的正压力P以及风载荷q等因素所引起的合力
矩。
M n为机组调向时所产生的扭矩。
剪力F则由内轮产生的正压力户以及风载荷g所引起。
但在一般情况下，由于剪力F 及风力发电机组在调向过程中所产生的扭矩M n一般都不很大，且与其它载荷相比要小得多，所以在考虑到不影响计算效果的同时，又能满足工程要求的前提下，笔者认为：在实际计算中，此两项可以略去不计。
因此在对风力发电机组基础的设计中，风力发电机组对基础所产生的载荷主要应考虑机组自重Q与倾覆力矩M两项。
经上述简化后，风力发电机组基础的力学模型如图10-8所示。
四、风力发电机组基础的设计与计算
根据我们多年来从事风力发电机组研制的经验，在参考土建设计的有关标准和规范的基础上认为：风力发电机组基础的设计与计算通常应包括以下五个方面：基础混凝土重量及几何尺寸的计算、基础底部压力所产生的偏心距计算、土壤压力的计算、设计配筋、抗冲切强度校核。
F t———混凝土的抗冲切强度；
b m———冲切破坏斜截面上的上边长b与下边长B b的平均值［b m=（b+Bb/2］；A———考虑冲切载荷时取用的梯形面积（图10-10中的阴影面积）。
