海上風電機的抗臺風設計

吳金城，張容焱，張秀芝

(1．浙江風力發電發展有限公司，杭州 310008;2．福建省氣候中心，福州 350001;3．國家氣候中心，北京 100081)

1 前言

近年來，風力發電在我國飛速發展，每年的新增裝機容量都超過100%，北至黑龍江、南到海南島，東起浙江、西臨新疆阿拉山口，幅員廣闊的神州大地興起風電開發高潮，投運的風電機組也從10年前的單機600 kW迅速發展為陸地1．5 MW、海上3 MW為主的兆瓦型風電機組。然而，相對于我國遼闊國土和氣候差別巨大的環境特點，風電機組的設計和制造與市場的需求有一定的差距。

當今國內外風力發電機組的設計都依據相關的專業標準，以確保風電機在標準規定的環境條件下能持續可靠運行。受市場發展先后的影響，這些標準大多起源于歐洲國家，以歐洲的氣候環境特征為主要依據，并未考慮熱帶氣旋的影響，根據這樣的標準設計的風電機很難保證在臺風地區也能可靠運行。當然，在不計成本的前提下設計一臺抗強風的風電機組并非難事，難的是為可能遭遇臺風的風場設計經濟可行的風電機組。IEC制定的設計風力發電機組的安全標準IEC61400－1是目前得到廣泛認可的設計標準之一，2001年我國出版的《風力發電機組安全要求》(GB18451．1－2001)等同采用了IEC61400－1:1999《風力發電機組安全要求》，為了簡化風電機技術規格并提高標準的可用性，標準定義了一系列標準風況，并據此將風電機分類。輪轂高度處的年平均風速、湍流強度和極端風況是標準進行風機分類的三類主要參數。但問題是標準定義的外部環境和極端情況不適合臺風影響下的風場，所以，IEC61400－1明確說明:標準定義的風況I，II和III既不適合海上風場，也不適用于臺風影響下的風場。因此，不能指望依據上述標準設計的風電機在臺風中有足夠的可靠性。近些年，一些風電機組在臺風影響過程中出現的問題足以說明該標準的不足。

我國東南沿海是風能資源豐富區，適宜進行風電開發，2009年第一個100 MW級海上風電場已在上海安裝投運。但是，這一地區夏季常受臺風影響，以浙江為例，1949―2007年的59年中，出現影響臺風182個，平均每年3．1個，最多的年份1年有6個臺風。自1997年浙江省規模化開發風電以來，共有23個臺風影響浙江省，而其中對風電設備造成百萬元以上破壞的有8個臺風，千萬元以上損失的有兩個臺風。2003年9月2日，登陸廣東省的“杜鵑”臺風也造成汕尾某風電場損失上千萬元。而且，隨著新建風電場單機容量的增加，特別是海上風電場，一旦發生臺風災害，其破壞程度將愈加嚴重。因此，制定適合我國及東南亞風況特色的風電機設計標準，設計和制造有抗臺風能力的風電機組，對我國東南沿海的風電開發尤為重要。

2 臺風過程的風特征

這里所談的臺風概指中心附近最大風力在12級以上的熱帶氣旋。臺風影響過程與冷空氣大風相比有3個不同特點:極端風速、異常湍流和突變風向，這些因素是設計不當的風電機組在臺風中易受破壞的主要原因。

2．1 極端風速

臺風是一個低氣壓系統，在水平氣壓的作用下，外圍氣流從四面吹向臺風中心，在赤道以北受地球自轉的影響，卷入的氣流以逆時針旋轉，越向臺風內部旋進，切向風速也越大。臺風經過地區，氣壓曲線呈漏斗狀，伴隨著氣壓的陡降陡升，風向會從東北風突變為南風和西南風。通常臺風風眼邊緣寬度10～20 km的云墻區是臺風破壞力最猛烈、最集中的區域，而臺風前進方向的右前方風力最為強大。隨著臺風中心的靠近，各高度風速逐漸增大，在風眼經過時，風速會突然大幅度減小，10～30 min后(取決于臺風風眼大小和移動速度)風速又突然增大，然后隨著臺風的離去慢慢減小。通常，臺風風眼到達前一刻的北風強度最大，2006年的桑美臺風于8月10日17時25分在閩浙交界處沿海登陸，位于臺風中心附近偏北處的浙江蒼南風電場倒塔的5臺風電機都是在這一刻被北風吹倒的。在桑美臺風中心登陸過程中，氣象站10 m高度的3 s平均極大風速為68 m/s，而當地風電場蒼南測風塔(見圖1)45 m高度10 min平均最大風速為60．1 m/s、極大風速為81．1 m/s，這些數據都是測風塔倒塔前測的數據，真實風速可能還要大。作用在物體上的風載荷與風速平方成正比，可以想象臺風過程中出現的極端風速對風電設備的巨大影響。

圖1 “桑美”臺風過程中的風速和氣壓Fig．1 W ind speed and atmospheric pressure during typhoon Saomai landing

2．2 異常湍流

湍流強度定義為風速隨機變化幅度大小，是10 min脈動風速的標準偏差與同期水平平均風速的比率。湍流強度是描述一個地區風場風況和進行風電機分類的重要指標之一。它使風電機組運行中承受疲勞載荷，不僅影響風電機的輸出功率，而且對風電機組性能和壽命有直接影響。臺風過程中，湍流擾動引發風電機組某些部件產生一種隨機的強迫振動，強烈的湍流擾動可能是變槳機組的變槳機構損壞的主要原因。

超強臺風“桑美”登陸期間，在臺風中心附近，風向、風速出現突變，高低層湍流強度同時發生大小不一的突增現象(見圖2(a));有時高層湍流強度值會超過低層(見圖2(b));離臺風中心較遠的地方(見圖2(c))，湍流突變不明顯。可見，臺風過程中的湍流強度有其獨特之處，它不僅與下墊面狀況有關，還與距臺風中心遠近有關，越靠近臺風中心，發生異常湍流現象越明顯。

2．3 突變風向

圖2 “桑美”超強臺風影響期間測風塔風速、風向、湍流強度變化圖Fig．2 W ind speed，direction and turbulence on 3 sites during Saomai landing

臺風中心通過時，所有測風點的風向在短時內(小于6 h)變化角度超過45°(見圖2)，靠近中心位置的甚至會發生120°～180°的突變，從之前的東北風轉為南風、西南風。風向的劇烈變化對風電機組的影響也非常大。對于已經順槳停機的變槳風電機組而言，風向突變意味著主風向從風電機的正前方轉到側面和側后方，整個風電機的受風面積也隨之變化，通常側面吹來的風產生的風壓比正前方來風的風壓大30%以上，同時，側風和湍流使風葉受力最不利，繼而造成風電機組的偏航系統損壞。臺風登陸過程中風電場外部電網往往也遭受破壞，使得風電機組無法按預先的控制策略進行操作，增加了風電機組損害程度。

3 臺風對風電機的破壞機理

造成風電設備在臺風過程中破壞的主要原因有以下3個:臺風登陸過程中的風特征、風電場的外部環境和風電設備自身結構，其中風特征是風電機組損壞的主要因素，可造成風電機組結構屈服、設備失控。

3．1 結構破壞

極端風速作用在風電機組上的風荷載與風速平方成正比，當它大于結構強度的設計值時，結構材料發生屈服破壞。2003年3月登陸西南太平洋上新喀里多尼亞的“埃麗卡”臺風造成島上洋李風電場20臺V27桁架式塔架風電機中的5臺倒塔，12臺嚴重損壞［1］。2003年9月登陸宮古島的“鳴蟬”臺風造成2臺400 kW失速型風電機倒塔，1臺變槳風電機基礎破壞而傾倒［2］。2006年8月的“桑美”臺風登陸過程中，3臺600 kW風電機因塔架折斷而傾倒(見圖3)。

圖3 “桑美”臺風中破壞的風電機和葉片Fig．3 Blade damaged by typhoon

在“桑美”臺風通過風電場時，一臺風電機的3支葉片在根部斷裂，估計主要原因是強風使風輪輪轂中的變槳機構損壞，葉片角度變化后增加了葉片的迎風面積，導致3葉片在根部斷裂。

3．2 葉片扭振

臺風過程中的異常湍流造成風電機振動，部分部件和結構損壞。湍流強度極大的氣流使葉片扭動，當氣流變化產生的激振荷載強勁而又與該葉片的固有頻率相近時，葉片翼殼后沿可能產生以主梁為轉軸的扭諧振，扭諧振引發葉片的極端疲勞荷載。疲勞損壞在應力集中地方開始生成極小裂紋，繼而延伸至粘膠層內部和葉片蒙皮的相鄰區域，最終導致粘膠和復合蒙皮強度的降低，上下蒙皮匯合處的后翼沿開裂以及葉片蒙皮斷裂。

當葉片在狂風吹拂下產生劇烈扭諧振時，變槳機構的受力大大超過了設計值，部分連接葉片和三角支架的拐臂斷裂，或者三角支架本身破裂(見圖4)，葉片位置失去控制導致一些風輪帶著機械剎車旋轉甚至失控飛車。2003年的“鳴蟬”臺風也造成一些變槳風電機的變槳機構損壞。變槳風電機在正常的大風停機后，葉片都轉到90°的順槳位置，但在系統失電后，機械剎車動作，剎住了風輪，阻止它自由轉動，固定不轉的風輪在臺風湍流中易發生扭諧振，并且往往使某一支葉片受力過大而折斷。

圖4 臺風破壞的葉片和變槳機構Fig．4 Damaged b lade and pitch control system by typhoon

3．3 設備失控

“桑美”臺風中，風輪在強湍流作用下，葉片發生不規則扭振，變槳機構的拐臂和支架斷裂，葉片角度失控，在臺風吹拂下風輪帶著剎車高速旋轉，剎車盤與剎車卡鉗摩擦產生高溫將剎車盤和卡鉗燒紅。最終，該風電場有10臺風電機的剎車盤因高溫爆裂。

臺風登陸時，電網停電且風向變動，機艙和風輪的側向受風非常之大，只有使用偏航液壓剎車的風電機的機艙基本保持停電時的位置，大多滑塊型偏航系統或使用阻尼器加偏航軸承的機艙位置都被大風吹得轉了方向，由于偏航驅動機構的減速系統大多有自鎖機構，大風的強迫轉向使不少風電機的偏航系統在此過程中受到嚴重損壞(見圖5)。

圖5 臺風損壞的偏航減速機構和偏航齒圈Fig．5 Broken yaw ring and yaw gearbox by typhoon

4 海上風電機組的抗臺風設計

隨著社會對可再生能源的重視和風電開發的飛速發展，在激烈的市場競爭中，許多風電設備廠家認識到產品差異化對市場開發的重要性，根據我國各地的氣候特點和市場需求，紛紛開始適應特殊氣候環境的風電機設計與制造。有的廠家聲稱可以設計制造抗臺風風電機組，也有的廠家宣傳已安裝的風電機組抵抗了臺風影響。仔細研究這些產品和信息，筆者發現這其中有許多誤區。

首先，風電機組抗臺風設計是指在充分認識臺風過程中的風特征和臺風對風電機組的破壞機理的基礎上，有一個科學合理的總體設計思路，確保設計制造的風電機組在遭遇最大風速接近設計風速的臺風時，風電機組的主要結構和部件沒有損壞。而在遭遇最大風速超出設計風速的臺風時，風電機組的破壞損失控制在最小范圍，而不發生顛覆性的嚴重破壞。臺風過后，在保險賠款的支持下可以迅速修復投運。如果發生風電機倒塔，不僅風電機全損，風電機的基礎工程、部分輸變電工程包括風電機組的安裝費用也受牽連損失，對于海上風電而言，這部分費用甚至超過風電機組本身，這種臺風損失稱之為顛覆性破壞。因此風電機組的抗臺風設計絕不是頭痛醫頭、腳痛醫腳地加強風電機組個別部件的強度設計而已，盲目設計不但增加設備成本，還會增加風電工程的整體風險。

其次，臺風直徑一般為600至1 000多千米，在水平方向可以分為大風區、云墻區和風眼區，而破壞力最猛烈的最大風速的分布一般在臺風前進方向的右前方。筆者討論的風電機組抗臺風主要是指風電機組可以抵抗接近設計最大風速的臺風影響，而不是僅僅抵抗臺風的外圍影響。僅僅受到臺風外圍環流的影響不等于抗得住接近設計參數的臺風最大風速的影響。

根據第2，3節的介紹，風電機抗臺風設計與抗普通的大風不同，是在充分認識臺風的特點和破壞機理的基礎上有針對性地進行設計。關鍵在于三方面:科學的總體設計思路、實用的控制策略和針對性的部件設計。

4．1 風電機組的總體設計思路

僅僅設計制造一臺可以抗臺風的風電機組并不難，難的是要求風電機組既能抗臺風又確保安裝在特定風電場中運行是經濟可行的，否則就失去了投資風電項目的意義。因此，廠家要將有限的資源放在關鍵部位，確保風電機在遭受最大風速小于設計風速的臺風侵襲時安然無恙，而遭遇最大風速大于設計風速的臺風時，總體損失最小。一個典型的近海風電項目和一臺2．5 MW的變槳變速風電機組的成本分析如下(見圖6)。

圖6 風電項目的成本分解Fig．6 Construction cost of offshore project

從圖6可見，對于海上風電項目，風電機組本身在建設成本中只占30%左右，但是，如果風電機組的基礎或塔架在臺風中損壞，往往不僅造成整臺風電機組破壞，還造成風電機基礎和運輸安裝費用也一同損失。因此，在確定海上風電機組的總體設計思路時應該根據部件失效造成的損失后果確定風電機組各個部件的安全系數，從風電機組的基礎、塔架、機艙到輪轂和葉片，安全系數應該從高到低。同時，要非常謹慎地計算和設計風電機的葉片強度，應該允許葉片在超過風電機設計風速的超強臺風中屈服破壞，以減輕風電機組整體風荷載，避免更嚴重的破壞。在GB18451．1－2001和IEC 61400－1標準中都采用了荷載安全系數以提高風電機組抵抗強風荷載的可靠性，一般的荷載安全系數為1．35，根據上述的原則，筆者對于一些重要的部件，相應的安全系數可以提高到1．7～2．0，以提高重要部件的可靠性，控制臺風損失是風險。

4．2 風電機組的控制策略

臺風影響過程中，極大風速、湍流和風向突變是造成風電機組破壞的三大主要因素。對于極大風速，要確定合理的設計思路，控制損壞風險;而改進風電機組的控制策略是應對湍流和風向突變的有效手段，也是成本最小的抗臺風設計方法。

1)改進機械剎車控制策略:臺風影響過程中電網往往也遭受損壞而癱瘓，風電機控制機械剎車的液壓系統因停電而動作剎車，剎車鉗將高速軸上的剎車盤抱死。風向和大小劇烈變化的氣流可能從垂直于葉片的最不利方向吹來，而不是如設想的那樣從順槳方向吹來，迫使葉片發生劇烈扭振，在破壞葉片結構的同時引起輪轂內部的變槳機構損壞，進而改變葉片槳距位置并發生飛車，造成剎車盤摩擦高溫和葉片的進一步損壞。因此，要改進機械剎車停電動作的控制策略，加裝備用電源或改變控制邏輯，在葉片順槳、機組正常停機后，松開剎車，讓順槳的風輪處于自由轉動狀態。這樣在臺風過程中可以改善葉片的受力狀況，當某葉片受力過大時，風輪會旋轉到各葉片受力均衡位置，避免個別葉片處于最不利的受力位置，產生扭諧振或其他不利情況。

2)改進偏航系統控制策略:現在不論是陸地還是海上風電機組，其功率控制方式都是變槳變速型，風電機組停機后葉片順槳，當風是從正前方吹來時，風電機組的風荷載最小。但臺風過程中，風向變化180°左右，而風電機的偏航系統因停電無法對風轉向，狂風可能從受力情況最差的側面吹來，側面風荷載比正前方大30%左右，增加了葉片、塔架和基礎的載荷。對于海上風電場，場內輸變電都是電纜，可以在風電場的升壓站配備容量足夠的備用電源，在電網系統故障的情況下，為風電機的偏航系統提供偏航控制電力，確保機艙處于有利位置。也可以利用下風向風輪的自動偏航作用，在電網失電后，松開偏航剎車，依靠風力轉動風輪，一來避免失電后偏航系統受力損壞，二來減少風電機組的受力。

4．3 風電機組關鍵部件設計制造

4．3．1 塔架的設計改進

塔架造價只有風電機組的十分之一，但它的安危卻關系著2倍于風電機組的價值，因此，對于塔架的設計要高度重視，不論是安全系數的選擇還是結構設計中的細節。塔架的損壞主要有3方面的原因:門框處的加強筋板尺寸不夠、結構失穩、塔架鋼板厚度不夠。因此，在設計中要使用臺風專用安全系數修正后的極端荷載對塔筒各承重部件進行強度校核，綜合考慮選擇足夠強度的壁厚配置。對塔筒的其他部分如螺栓、法蘭、焊縫等也根據載荷報告進行極限強度校核，確保塔架適合臺風地區的極限風況。

4．3．2 葉片制造工藝的改進

風電機葉片是整個機組的薄弱環節，葉片細長、柔軟，制造工藝質量較難保證，往往在臺風過程中最先損壞。除了改進機械剎車的控制策略，改善葉片的受力狀況外，對于葉片而言，關鍵是提高制造過程中的工藝質量，并建立有效的質量檢查體系，確保內在質量符合設計要求。

葉片結構一般為上下兩片有特定翼型的葉殼與承受主要彎曲應力的葉梁黏合而成，既要有足夠的強度和剛度避免斷裂失效以及在載荷作用下產生形變，又要有足夠的穩定性避免產生自然的共振，同時，將重量控制在一定的范圍內。根據以往臺風損壞情況分析，葉片關鍵在于黏合質量的控制和結構設計中關鍵部位的強度保證。

4．3．3 偏航系統的設計

臺風作用在風輪和機艙上的傾覆力矩通過偏航系統傳遞給塔架，同時，變化的風向也會增加偏航系統剎車的荷載，因此，起著承上啟下作用的偏航系統必須能承受臺風帶來的巨大載荷。應采用專門修正后的載荷對偏航系統進行校核調整，偏航驅動齒輪盡量選用行星減速齒輪箱，避免采用渦輪蝸桿減速齒輪箱，以免在極端情況下，機艙被迫轉向而損壞偏航系統。

4．3．4 其他部件的改進

通常塑料制成的風杯式風速風向儀在臺風中必定會損壞，應采用金屬制成的風速風向儀。同時，為超聲波風速風向儀選用強化的安裝支架，確保臺風過程中能向控制系統傳遞準確的風速風向信號。風輪導流罩和機艙的天窗在臺風中也易受損，特別是固定螺栓周圍的連接面強度不夠，應采取相應措施，加強連接強度，以承受巨大的臺風荷載。

4．4 適合臺風地區運行的單葉片風電機

從風電機選型角度分析，單葉片風電機可能是最適合在臺風地區的海上風場運行。當風電機采用專門的停機方式，將單葉片停放在塔架前后時，形似一臺拆下風輪的風電機組，可以最大限度地減小臺風荷載。

當然，單葉片風電機也有其他的缺點和優點。單葉片的風輪需要一個配重塊，這降低了風輪效率;復雜的動態荷載也需要一個鉸鏈式輪轂加以釋放;較高的尖速比會產生惱人的噪聲;單葉片風輪也不如三葉片風輪協調平穩。而優點是單葉片風輪的造價比三葉片風輪小;高尖速比降低了風輪轉矩，使得齒輪箱和機艙的傳動系統更為輕巧，同樣規格的機艙可以安裝更大直徑的單葉片風輪;通過增加風輪直徑可以抵消降低的氣動效率;而海上風電場遠離居民，單葉片風電機的噪聲和視覺問題可以予以忽略。可以說，對于臺風頻發地區的海域，從結構和風場特點分析，抗臺風最佳的風電機選型是單葉片風電機組(見圖7)。

5 結語

我國的東南沿海臺風頻發，但也是未來海上風電發展的重要區域。目前，國內外現有的風電機設計標準還沒有充分考慮臺風地區風電機的設計要求，抗臺風的風電機設計需要在分析臺風特征的基礎上加以綜合考慮，著重在總體設計思路和風電機的控制策略上，而不僅僅是加強某些部件。

圖7 單葉片風電機Fig．7 W ind turbine w ith one blade

［1］ Vergnet S A．Tropical cyclone“Erica”New Caledonia［EB/OL］．［2003 －3 －14］http://www．smallwindindustry．org/fileadmin/ewea_documents/documents/projects/swiis/track_records/050512ERICAC YCLONE．pdf．

［2］ Hitomitsu Kikitsu，Yasuo Qkuda，Hisashi Okada，et al．High wind damage in Japan from typhoon Maemiand Choi－wan on september［R］．2003．