・１７０・ ｌｌＪ芝材 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｚ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０１３年第５期 第３９卷总第１７５期 ２０１３年１０月 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４０１１．２０１３．０５．０８０ 风力发电塔减振装置的研究现状 梁 宸 （同济大学土木工程学院，上海２０００９２） 摘要：风力发电以环保、可再生等优点得到越来越 广泛的应用，且风力发电塔正朝着塔身越来越高、越来越 大的方向发展。为了保证安全，风力发电塔需要具有良好 的动态特性。但由于风力发电塔的特殊性，一些传统高耸 结构的减振方法并不适用。目前风力发电塔减振装置的相 关研究已取得了一系列成果，本文回顾了当前的研究现状 并做出了展望。 关键词：风力发电塔；减振装置；研究现状 中图分类号：ＴＫ８３ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１３）０５—０１７０—０２ ０前言 近些年，我国风电产业发展迅速，风电产能增加的同 时也出现了一系列挑战。由于风机的工作环境相对恶劣， 在各种荷载的作用下风力发电塔频繁振动，塔筒上的联结 螺栓易疲劳松动，以致出现机舱振幅过大甚至塔架失稳倒 塌现象，这将导致巨大的经济损失 。 高耸结构在大风作用下将会产生较大的响应，设置结 构振动控制装置来积极抵御灾害，从而减小结构振动，对 这一原理国内外均已有较多的研究，也为工程界所接受。 目前很多典型的振动控制方法已在各种工程实例中体现， 如拉索控制、调频阻尼器以及ＰＴＴＭＤ口 等。根据是否需要 外界能源，结构振动控制一般可分为四类：①被动控制方 法。不需外部能源驱动，仅依靠控制装置与结构相互作用 向结构提供惯性力即控制力；②主动控制方法。控制力由 前馈外激励和反馈结构的动力响应决定；③半主动控制方 法。以被动控制为主，当结构动力反应开始越限时，施加 能源使控制系统切换工作状态（所需能源较小）；④混合控制 方法。例如主被动调谐质量阻尼器（ａｃｔｉｖｅ—ｐａｓｓｉｖｅ ｔｕｎｅｄ ｍａｓｓ ｄａｍｐｅｒ，ＡＰＴＭＤ） 。 对于风力发电塔来说，塔筒的振动形式主要为侧向弯 曲振动、前后弯曲振动和扭转振动；桨叶在前十阶的振动 形式主要为挥舞振动和摆振 。为了不影响叶轮的安全转 向，不能在风机周围设置拉索之类的加固措施，而塔筒内 部有限的可利用空间也制约了很多经典方法的实现。然而 风机的重要缺点之一是维护成本昂贵且维修率偏高，于是 试图找到合适的振动控制装置是很有必要的 。 作者简介：梁宸（１９８９一），男，内蒙古赤峰市人，硕士研究生，研究方 向：高耸结构设计。 １风力发电塔减振器的研究进展 在风电塔的振动控制研究初期，有这样一种方法：在 风机塔架顶部的塔筒内，位于风力发电塔的机舱下方放置 大量沙袋，力图利用振动时沙粒或沙袋相互运动产生的摩 擦消耗振动能量、降低振动。实际应用表明效果很差，这 是因为所有沙粒随着塔顶同步运动而很少发生相对运动 。 为了达到更好的效果，之后很多学者从不同角度人手研发 了各种风力发电塔的减振装置。 １．１ ＴＭＤ模型的改进及其拓展 １．１．１可调节旋向的调谐质量阻尼器 目前实际应用的ＴＭＤ大多为悬吊式ＴＭＤ和支撑式 ＴＭＤ两种形式。传统的典型ＴＭＤ装置应用于风机塔架内， 无法实现伴随风力发电机的偏航对风而同步旋转调向，因 此不能充分发挥ＴＭＤ的减振控制效果。针对这一问题，黄 亮的发明提供了一种风机用调谐质量阻尼器减振控制装置， 可以随风向主动进行调整，最大限度地控制振动幅值。该 装置主要部件为转盘、转盘传动总成、回转支撑部件以及 质量块总成等。不仅如此，该装置设计了具有直线导向槽 的限位导轨，固定设置在质量块下方的转盘上，质量块支 撑装置的下端置于直线导向槽内并可沿该限位导轨直线位 移。其优点为控振方向确定唯一，克服了传统ＴＭＤ利用水 平面内两个垂直的方向的合成运动控制ＴＭＤ振动方向的模 糊性缺陷 ｊ。 １．１．２ 自适应变频ＴＭＤ 中国海洋大学的赵金赛研究的自适应ＴＭＤ的概念既保 留了ＭＴＭＤ多工作频率的优势，同时又是单ＴＭＤ系统，安 装、维护简单。该装置包括主ＴＭＤ系统、变刚度机构、频 率敏感系统三大部分。其中频率敏感系统由多套弹簧一质 量块体系组成，不同频率下相应的频率敏感系统响应，驱 动变刚度机构改变ＴＭＤ频率。变刚度机构包括气泵和液压 缸。其中液压缸活塞两侧腔室分别通过液压管路与储油缸 连接，液压管路上设有阀门，可控制活塞杆自由和锁定两 种状态转换。气泵由频率敏感系统发生共振时驱动，产生 的有压气体用于控制气动液压阀的开闭。 该装置变频的机理如下：当结构振动频率ｆ与ＴＭＤ自 身频率相同时，各频率敏感系统没有响应，各液压阀处于 打开状态，液压缸的活塞杆处于自由状态，此时ＴＭＤ在自 身频率下起到减振作用。当结构工作在另一频率ｆｌ时，具 有相应固有频率的频率敏感系统ｍ．处于共振状态，产生的 ２０１３年第５期 第３９卷总第１７５期 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｌｌＪ芝材 ・ｌ７１・ ２０１３年１０月 动能通过气泵泵人气缸，使得气缸内压力上升并通过出气 口控制液压阀关闭，活塞杆锁定，给ＴＭＤ的弹性杆施加约 应用，为了将其应用在风力发电塔中，三菱重工业株式会 社的若狭强志等将其进行了改进，用加速度计、倾角控制 机构、加法装置和速度推算装置等代替传统的相当大的重 物和驱动该重物的致动器。 束，从而改变ＴＭＤ频率至ｆ．［３ Ｊ。 １．１．３ 自身周期可调节的减振器 日本三菱重工业株式会社的川端稔等设计了一种反摆 状衰减机构，其作为整体是沿支柱内壁面的大致圆弧形状。 其核心部件是第一振动系统和第二振动系统。第一振动系 统包括第一重锤和为了把第一重锤支撑在风力发电塔上而 其工作原理如下：利用安装在机舱内的加速度计监测 该机舱振动的加速度，根据该加速度算出用来使风车叶片 上产生消除机舱振动的推力的该风车叶片的倾角，作为减 振用翼倾角指令输出。而在倾角控制装置中，计算出用于 使输出达到预定值的风车叶片的倾角，作为输出控制用翼 倾角指令输出。利用加法装置使输出控制用翼倾角指令与 竖立设置在塔身的支撑棒。下侧接头连接塔身与支撑棒的 下端，上侧接头连接第一重锤及支撑棒上端。同样的，第 二振动系统包括竖立设置在风力发电塔的弹性部件以及第 二重锤。第一重锤和第二重锤中至少有一个是由能够装卸 的多个重锤片构成。当塔身发生振动时，第一重锤和第二 重锤在同一水平面内同方向振动，且两者为垂直方向的相 对运动，这是靠机构来实现的。这个减振装置最突出 的特点是第一重锤和第二重锤的合质量不变，通过改变两 者的重量比，可以调节装置本身的周期。由于该装置使用 的是常见材料的一般零件，所以在维修保养时容易得到替 代品 。 １．２利用特殊工程材料 同济大学的李杰教授等利用粘弹性材料的耗能设计了 两种不同的减振装置。其提到的粘弹性材料一般可以选用 天然橡胶、丁基橡胶、有机硅胶、氯丁橡胶等。 文献［８］介绍了一种占用空间最少的减振装置。应用时 至少将４个减振装置对称安装于塔架的同一高度处。粘弹 性材料通过硫化的方式将第一钢板、第二钢板相连，其中 第二钢板插入第一钢板的平行的两块钢板之间。其工作原 理为：当风塔受外荷载作用发生弯曲变形时，塔身两侧分 别产生伸长和缩短变形，从而使得固定于塔身的减振装置 内部的粘弹性材料产生剪切变形并耗能，通过粘弹性材料 将外部输入的一部分能量耗散或转化成热能。 在文献［９］提到的方法中，其减振装置包括金属圆球、 球壳底座和上部盖板。球壳底座内设有腔体，上部盖板安 装于球壳底座上，上部盖板与球壳底座的腔体形成密封腔。 金属圆球置于球壳底座的腔体内，主要依靠金属圆球的滚 动吸收外界施加给风力发电机组的能量。所述的金属圆球 为塔体总质量的０．５％一０．２％，故成本相对较低。粘弹性 材料作为阻尼层设置在腔体表面，提供金属圆球运动的阻 尼力。该振动控制系统制作简单，可以很好地减少和控制 水平方向的振动。 １．３利用电子器件控制实现主动减振 主动控制是通过安装在结构上的传感器测得结构的响 应或外荷载并输入计算机，从而对环境动荷载和结构的响 应实现联机的实时跟踪和预测，并通过作动器对结构施加 控制力，在满足一定的优化准则前提下，达到减小或抑制 结构振动响应的目的。由于实时控制力可以依据外界荷载 的变化而变化，所以减振效果明显优于被动控制。主动控 制技术已发展为一门涉及多方面的新兴交叉学科 。 在高层建筑中，ＡＭＤ（主动式重物减振）已得到一定的 减振用翼倾角指令重叠，根据该重叠后的倾角指令控制风 车叶片的倾角。 其中速度推算装置通过对前述加速度计检测出的加速 度积分，计算出速度。控制装置具有相位超前补偿装置和 相位滞后补偿装置，使得计算的倾角更加准确。控制装置 具有将速度推算装置推算的速度作为输入的比例控制器、 比例积分控制器、线性二次调节器以及线性二次高斯调节 器中的任意一种 。 ２展望 本文对风力发电塔的几种减振装置进行了总结。就目 前的风力发电塔减振器而言，大部分仍处于理论或初探阶 段，很少有已大规模投入应用的产品。因此在理论分析基 础上进行模型试验或者实测都是一种很有必要的深化研究。 无论是从为了保证能在塔筒内部有限的空间使用还是 从经济性角度出发，风电减振装置的研究方向必将朝着小 型化、轻型化发展。若要得到大量的实际应用，还应力求 做到模板化，以满足不同型号的风机的需求而不需过多的 重新设计。 ［ＩＤ：０００６７０］ 参考文献： ［１］黄超．风力发电机塔架减振装置及其设计［Ｄ］．湘潭：湘潭大 学，２０１１． ［２］ 王肇民．高耸结构振动控制［Ｍ］．上海：同济大学，１９９７． ［３］ 赵金赛．自适应变频ＴＭＤ减振技术及其在海上风电塔架减振 中的应用研究［Ｄ］．青岛：中国海洋大学，２００９． ［４］ 马跃强．风力发电塔系统整体建模与模态分析研究［Ｊ］．石家 庄铁道大学学报：自然科学版，２０１０，２３（４）：２１—２５． ［５］唐德尧．一种风力发电机塔架减振装置及设计方法［Ｐ］．中国 专利：ＣＮ１０１８５２１８８Ａ，２０１０—１０—０６． ［６］黄亮．风机用调谐质量阻尼器减振控制装置［Ｐ］．中国专利： ＣＮｌＯ１３０２９９５Ａ．２００８—１ １一ｌ２． ［７］三菱重工业株式会社．减振装置、风力发电装置和减振方法 ［Ｐ］．中国专利：ＣＮ１０２８９３０５２Ａ，２０１３—０１—２３． ［８］ 同济大学．阻尼减振装置及使用该装置的风力发电高塔［Ｐ］． 中国专利：ＣＮ１０２１４６９７５，２０１１一Ｏ８—１０． ［９］ 同济大学．一种减振装置及使用该装置的风力发电高塔［Ｐ］． 中国专利：ＣＮ２０２０４０２６８，２０１１—１１—１６． ［１Ｏ］三菱重工业株式会社．风力发电装置及其主动式减振方法以及 风车塔架［Ｐ］．中国专利：ＣＮ１９０６４０９Ａ，２００７一Ｏｌ一３１．
