风电机组柔塔技术关键点与解决方案鉴衡认证中心

风电机组柔塔技术关键点与解决方案2019.11.08为何需要柔塔？为什么需要柔塔？全国年平均风速分布

我们国家的风能资源分布与电力消纳存在严重不匹配的问题

三北地区风能资源丰富，但电量消纳能力不足，弃风限电现象严重。中东和南部地区社会用电量高，电量消纳能力好，但风能资源却不如人意

在此背景下，国家风电发展“十三五”规划中明确表示要加快开发中东部和南方地区陆上风能资源

受政策及商业利益驱使，风某省市场逐渐南移，低风速风电发展起来

陆上风电开发向低风速区挺进，分散式风电经常面临低风速区域为什么需要柔塔？来自国家气候中心（2017-12-31）

新增低风速技术开发量7亿千瓦，某省市某省市）风资源技术开发量由原来的3亿千瓦增加到10亿千瓦

截至2018年底，我国累计装机容量达到2.1亿千瓦，2018年我国新增装机量为2200万千瓦，新增低风速开发量足够开发33年为什么需要柔塔？140m100m5.0m/s到5.53m/s

风速随高度增加而增加

风切变是衡量风速随高度变化剧烈程度的指标

据测算，风切变越大、塔架高度越高，发电量增量越大

案例分析表明：0.3的风切变，每增加20m，发电量提升某2MW风电机组发电量提升风切变0.10.150.20.250.3塔架高度(m)1406.95%10.59%14.17%17.76%20.34%1203.69%5.74%7.74%9.38%11.38%1000.00%0.00%0.00%0.00%0.00%约10%增加塔架高度获取更好的风资源为什么需要柔塔？依旧采用原有的塔架设计技术——更高的刚塔？某2MW机组塔架重量塔架质量（t）塔架高度（m）

刚塔塔架重量随高度快速上升，100m增加20m，塔架重量增加近1.5倍，经济性差120米高度下柔塔的质量为刚塔的68%全钢柔塔现状国外：

120-160m均有批量商业运行业绩

全球范围内已安装上万台100m以上的柔塔机组

5台175m高度的柔塔机组已在芬兰安装运行国内：

120-140m已有批量商业运行业绩

截至2017年底，国内吊装容量约690MW，占2017新增装机容量3.5%，并网容量为211MW

国内厂商正在研发设计140m以上的机组全钢柔塔现状国内：

风能协会发布高塔调研报告

北京鉴衡认证中心，正在编制柔塔机组技术规范

北京鉴衡认证中心，在认证中对柔塔的关键技术点进行详细认证（包括现有标准规定模糊的内容）柔塔技术关键点全钢柔塔技术关键点刚塔刚、柔塔柔，重要表征量：塔架频率塔架频率Hz0.40.350.30.250.20.150.1708090100110120130140频率降低高度增加塔架高度

m全钢柔塔技术关键点频率降低，高度增加全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—塔架共振频率降低，高度增加全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—塔架共振塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振0.90.8激振力来源频率（Hz）0.73P风轮旋转频率的3倍（3P）0.61P0.50.4风轮旋转频率（1P）0.30.20.1078910111213141516风轮转速（rpm）Campbell

图（反应激振力和系统固有频率的关系，用以共振分析）全钢柔塔—塔架共振塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振0.90.8切入转速转速运行范围切出转速（额定转速）0.7频率（Hz）0.63P特刚塔筒频率0.5传统刚塔频率0.40.30.21P柔性塔筒频率0.1超柔塔筒频率078910111213141516风轮转速（rpm）柔塔的风轮转速频率（1P）与塔架一阶固有频率存在交点全钢柔塔—塔架共振塔架共振：当激振力的频率和塔架固有频率相近时，塔架发生共振0.3切出转速频率（Hz）0.25切入转速（额定转速）柔性塔筒频率0.21P0.15某0.188Hz柔性塔架超柔塔筒频率0.10.05共振转速11.3rpm078910111213141516风轮转速（rpm）柔塔的风轮转速频率（1P）与塔架一阶固有频率存在交点，存在共振转速全钢柔塔—塔架共振规避措施Solution1——避开共振转速：共振穿越技术设计的共振穿越技术实际的共振穿越技术共振转速11.3rpm全钢柔塔—塔架共振规避措施Solution2——降低1P激励：不平衡补偿技术

风轮不平衡是机组1P的最主要的激励源，随着风轮旋转作用在机组上

控制风轮装配的不平衡

通过监测塔顶振动加速度的能量水平，调节机组的叶片桨距角互差，抵消部分风轮不平衡的影响，以期将不平衡的影响降到最低全钢柔塔—塔架共振规避措施Solution3——增加阻尼：硬件加阻

or

软件加阻

阻尼——阻碍振动，阻尼越大，机组越难振动

硬件加阻——TMD（摆锤）加阻，水箱加阻，斜拉索

软件加阻——通过监测塔顶振动加速度的变化趋势，调节桨距角形成抑制振动的气动效果（前后）；或通过调节发电机扭矩形成抑制振动的扭矩效果（左右）全钢柔塔—涡激振动全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—涡激振动涡激振动：风吹塔筒形成的脱落涡频率和塔架频率相近时，塔架发生共振涡激振动：任何非流线型物体，在流体场中会在物体两侧交替地产生脱离结构物表面的旋涡，旋涡会对结构产生交替的横向作用力。当结构处在稳定流速中，且流体产生的旋涡的激振频率与结构固有频率接近时会在垂直于来流方向引起结构横向振动。这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的涡流脱落形态，恶化表面漩涡的脱离。这种流体-结构物相互作用的现象，被称作“涡激振动”全钢柔塔—涡激振动涡激振动：风吹塔筒形成的脱落涡频率和塔架频率相近时，塔架发生共振

当脱落涡频率和塔架的一阶频率相近时，塔架发生一阶涡激振动

当脱落涡频率和塔架的二阶频率相近时，塔架发生二阶涡激振动

刚塔也会发生涡激振动某140米柔塔一阶振型

某140米柔塔二阶振型一阶频率：0.16Hz

二阶频率：0.93Hz全钢柔塔—涡激振动吊装时一阶涡激振动

柔塔吊装时，涡激振动引起的一阶塔架振动

某柔塔不带机头的塔架的一阶频率在0.314-0.4Hz之间，发生涡激振动的风速在5-9m/s，需进行避涡激振动措施

经过测算，该现象作用6天，消耗机组1年的寿命风速（m/s）EN1991-1-42005无机头塔架涡激脱落频率（0.18St）（Hz）10.04720.09530.14240.18950.23760.28470.33280.37990.426100.474110.521120.568130.616全钢柔塔—涡激振动吊装时一阶涡激振动在吊装阶段给上段的塔架附加扰流条工装，破涡止振全钢柔塔—涡激振动运营时一阶涡激振动

柔塔运营时，停机、偏航不对准、切入风速附近涡激振动引起的一阶塔架振动

某140m塔架的一阶涡激振动最大单边位移0.16m

产生的疲劳载荷和极限载荷对机组安全性影响可接受，某140米柔塔疲劳损伤在E-4的量级，涡激振动产生的极限载荷是正常极限载荷的9.5%风速（m/s）EN1991-1-42005有机头塔架的涡激脱落频率（Hz）10.04720.09530.14240.18950.23760.28470.33280.37990.426100.474110.521120.568130.616全钢柔塔—涡激振动运营期二阶涡激振动

柔塔运营时，停机、偏航不对准、切出风速附近时涡激振动引起的二阶段阶塔架振动

会产生较高的载荷（体现在相对频繁、较高的塔顶振动加速度上），并剧烈消耗塔架疲劳寿命

某140m塔架的二阶涡激振动最大单边位移0.11m

经过测算，对于140m塔架，该现象每作用90分钟，相当于消耗机组1年寿命，累积涡激振动约30小时就会发生疲劳破坏风速（m/s）EN1991-1-42005涡激脱落频率（0.18St（Hz）130.616140.663150.711160.758170.805180.853190.900200.947210.995221.042231.089241.137251.184261.232271.279281.326291.374全钢柔塔—涡激振动运营期二阶涡激振动

针对性的处理方案，如：增加空转时的气动阻尼、塔架中部加阻尼（如水箱）

应避免长期的偏航失效，偏航失效塔架侧面受风，造成二阶涡激振动

由于标准规定相对模糊，部分厂家设计中未予以考虑

目前鉴衡认证，要求所有认证的厂商进行二阶涡激振动的考虑全钢柔塔—涡激振动二阶涡激振动阻尼比

与柔塔涡激振动疲劳损伤计算相关的参数中：

尺寸、质量、频率和空气密度等可以快速准确获得，振型通过有限元分析软件获得

只有结构阻尼比目前都通过测试得到

根据某140柔塔，分析了不同阻尼比下涡激振动的损伤值，阻尼比降低60%，损伤增加32倍，塔架损伤对阻尼比的变化非常敏感0.035某柔塔二阶阻尼比与损伤之间的关系0.030.0250.020.0150.1%1.5%2.0%2.5%0.010.0050阻尼比𝜉损伤D1%0.0331.5%0.00972.0%0.00322.5%0.001柔塔二阶涡激振动在设计阶段应考虑合适的二阶结构阻尼参数，应通过测试来获得塔架真实的阻尼参数全钢柔塔—塔顶摆幅规避措施和避共振措施相似：

塔架加阻

振动抑制全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—低空急流全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—低空急流低空急流：某些高度层的风速急速上升

现阶段规避措施：

发生在距地表100米到200米

增加柔塔风剪切的要求

常规测风塔的观测高度无法有效观测参考文献：北京夏季夜间低空急流特征观测分析，，舒文军全钢柔塔—运输安装及维护全钢柔塔频率降低

高度增加塔架共振涡激振动塔顶摆幅低空急流运输安装及维护全钢柔塔—运输安装及维护整体难度，相对加大

安装：需要更大型的吊装设备。

运输：塔筒运输以及更大型的设备，对场址道路要求更高。

维护：爬升困难，安装助爬器、电梯等因塔架变形更大带来更高的要求。全钢柔塔技术风险点整体来看，柔塔的主要技术难点不在塔架本身，而在其整机的控制设计上。通过认证的机组，就能在