微观气象条件下风力发电机组塔架载荷响应分析

李成晨¹，张文彬^1,2，刘晓辉¹，卓 然¹，宋 珂^1

(1. 许昌许继风电科技有限公司，河南 许昌 461000）

(2. 国家电投集团河南新能源有限公司，河南 郑州 450001)

作者简介：李成晨（1985—），男，工程师，主要从事风电机组部件设计开发工作，lcc85@163.com.

摘要：以某2 MW风电机组为研究对象，利用模型线性化方法，基于Bladed和ANSYS平台对不同塔架结构参数和地基刚度下塔架固有频率及振型开展研究，通过对不同微观气象条件下不同固有频率塔架进行时域和频域载荷响应分析，获得了微观气象条件对塔架载荷响应的扰动规律。实际风场可根据风资源情况对塔架进行控制加阻以降低环境载荷对塔架的不利影响，具有一定的现实意义。

关键词：风电机组；塔架；结构参数；载荷分析；微观气象条件

中图分类号：TK83   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2020)10-0102-07

随着高平均风速、低湍流优质风区的剩余量越来越少^［1］，目前风电持续向大风轮直径、大单机容量、高塔架方向发展，以此提高风资源的利用程度。而随着塔架高度的增加，在兼顾塔架经济性的基础上必然会导致塔架固有频率降低，因此研究作为支撑结构的塔架在不同情况下的动力学响应对保证机组的安全可靠性尤为重要。

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近年来国内外很多学者就塔架的动态响应开展了相关研究：赵艳等^［2］使用基于数据驱动的随机子空间法识别了机组一阶自振频率和阻尼比，研究了风力机在启、停机过程中的振动特征，并基于Sommerfeld效应解释了风力机启、停机过程的不同振动效应；孙铁雷等^［3］基于有限元法研究了塔架的暂态响应，发现脉动风载作用下塔架的1阶振型为主要振型，3阶振型以上的分量对机组的影响基本可以忽略不计；张丰豪等^［4］同样采用有限元的方法研究了湍流风况下塔架弯曲、扭转固有振型特征，分析了结构阻尼对塔架振动的影响，结果表明随着阻尼的增加，塔架1阶弯曲振动主导作用减弱，振动特征主要受外界风载所控。

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塔架的固有频率受塔架本身结构参数和外部机头重心位置及地基刚度的影响，不同固有频率塔架的动力学响应差别较大^［5］，因此本文基于风电行业专业载荷计算软件Bladed结合实测风速数据和理论风谱模型确定湍流风模型^［6］，分别从时域和频域两个方面考虑不同塔架1阶固有频率和微观气象条件下的塔架结构动力学响应特性，研究不同塔架结构参数和基础扭转刚度信息对塔架固有频率的影响规律。

1 建模和频率分析

塔架的固有振型和频率主要取决于塔架本身的结构特点（如直径、壁厚及高度），其中受高度影响较为显著，同时也受风电机组机头质量、重心位置、地基刚度等因素影响。本文主要从塔架结构特点、机头质量以及地基刚度等方面对塔架固有频率和振型开展研究分析。

1.1 建立塔架模型

本文在对不同高度、底部直径及厚度的塔架进行建模时，将顶部机舱和风轮的质量简化为偏心质量块，将爬梯、电缆、平台、法兰及螺栓等简化为附件质量点。根据某厂家提供的2 MW风力发电机组设计参数，建立的Bladed和ANSYS塔架模型如图1所示，表1为风电机组设计参数。