風電機組結構抗震研究現狀

　　1 引言
　　風電機組的結構特點是：
　　（1）結構高度大，體型細長；（2）機艙重量大，集中在塔架頂部；（3）葉輪具有分布質量和剛度；（4）運轉時葉輪旋轉產生動力效應。
　　從結構抗震的角度看，特點（1）和（2）對抗震不利。高層建筑物要求具有合適的高寬比和比較均勻的質量分布，而風電機組由于發電功能的需要，違反了這兩點，決定了它在先天上的抗震缺陷。特點（3）和（4）也是風力發電機組與高層建筑物的不同之處。葉輪葉片位于塔架頂部，而且剛度較小，在地震作用下容易產生端部的“鞭梢效應”，放大葉片的地震響應，這對葉片的安全性不利。而葉輪的旋轉也是風力發電機組不同于高層建筑物的一個顯著特點，葉輪在運轉時遇到地震的工況，是建筑結構抗震中不會涉及到的。
　　從以上分析可以看出，風電機組的抗震性能是其結構安全設計中值得關注的課題。如果忽略風電機組的抗震設計，可能危及其結構安全。而目前風電機組的應用范圍越來越廣，在地震區也有應用，但世界各國的風電機組設計標準，大多對抗震設計這一內容規定較少。而日本則由于地震多發，針對風電機組的抗震，制定了設計規范。本文總結目前風電機組抗震研究現狀，介紹歐洲、日本的風電機組相關抗震標準，并結合中國的實際情況，對中國的風電機組抗震研究提出初步的建議。
　　2 風電機組抗震研究方法及抗震設計標準
　　傳統上，抗震是建筑結構工程里的概念。建筑結構的抗震研究方法主要分為兩種：一種是動力分析方法，一種是等效靜力分析方法。風電機組的抗震也沿用了這兩種方法。
　　風電機組地震動力分析一般采用有限元方法，需要風電機組葉片、機艙、塔架的細節信息，但這些信息通常由風電機組制造商掌握，研究者難以獲得。Lavassas 采用shell 和brick 單元研究了一臺1MW 風電機組原型，但沒有考慮葉輪的詳細建模以及旋轉。Ahlstrom 采用beam 單元建立完整的風電機組模型，用于風電機組在葉片破壞等極端情況下的動力學模擬。該模型也可用于風電機組的地震響應分析。從風電機組的結構特點看，用beam 單元可以足夠準確地進行數值離散，而且可以節省計算時間。對于停機的情況，用beam 單元模擬風電機組的地震動力響應已無技術上的問題，只是由于風電機組原型數據的非公開性，導致接近真實的有限元模型難以建立；對于運轉的情況，由于葉輪的旋轉，其中涉及機械控制等學科，通常的有限元模型還難以模擬復雜的運轉工況。GH Bladed 也采用beam 單元，但是把葉輪和機艙、塔架分開建模，分別計算其模態特性，然后耦合，在頻域上計算，而不是采用有限元方法中的時域直接積分方法。理論上說，頻域方法也是可行的，但GH Bladed 使用的模態數量有限，而且計算結果與通用有限元軟件的計算結果存在一定差異，推測與其耦合的機制有關。
　　而風電機組在結構設計時，一般采用等效靜力分析方法。該方法的好處是不需要精細的風電機組模型，使用形式簡單的計算公式，方便工程設計人員運用。風電機組的設計標準通常規定用等效靜力分析方法，典型的標準如IEC61400-1和日本《風力發電設備支持物構造設計指針·同解說》。