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文 | 高宏飙，季晓强，姜贞强
江苏如东150MW 海上风电场示范项目位于江苏省如东环港外滩离岸3km － 7km 的潮间带区域，在国内首次采用多桩钢构架风电机组基础。为了解整机的振动特性，并为开展监测提供依据，本文采用大型通用有限元软件，对整机自振特性进行分析。
多桩钢构架风电机组基础结构特征类似于海洋石油平台中的导管架式卫星平台，其差异在于风电机组基础结构除承受较大的波浪等水平荷载外，上部空气动力荷载产生了巨大的弯矩，成为结构受力的控制性因素之一。而更重要的是，为避免发生共振造成风电机组故障、寿命降低甚至出现安全事故，由地基、基础、塔架、上部机组等各部分组成的整体自振频率必须满足风电机组厂家给出的频率范围要求。
海上风电机组频率要求
海上风电机组振动的主要因素有：
（一）风速、风向变化引起的塔架振动风荷载包括平均风和脉动风两部分。平均风在给定时间内风力大小、方向等不随时间变化，相当于静力作用。脉动风则随时间随机变化，结构产生随机的顺风向振动、横风向振动。当风向变化、风力作用点与结构弹性中心不重合时，还将产生空气动力扭矩，风轮迎风装置动作，以保证风轮机叶轮总是对准风向。
（二）叶轮旋转引起的振动
风电机组在运行中，叶轮每转一周就会有k次振动（k为叶片数目），叶轮转速为n r/min，则每分钟就会有kn次振动。已有研究表明，塔架固有频率f<kn 的称为“硬塔”，“硬塔”造价较高；塔架固有频率n<f<kn的称为“软塔”；塔架固有频率f<n的称为“甚软塔”。海上风电机组一般均为上述的“软塔”。
（三）机舱内部机械振动
主要是发电机、磁极运动产生的振动，风电机组齿轮箱产生的振动等。其中，风和波浪是海上风电机组结构承受的主要荷载，这些荷载具有明显的动力特性，海上高耸的风电机组结构体系在这些动力荷载作用下将产生显著的动力特性，而这些动力效应总是趋向于增加应力数值并损害结构的长期承载能力。因此，风电机组－塔架－基础－地基系统是一个相互作用高度耦合的动力系统，需采用结构模型进行动力分析，以掌握结构的动力特性和响应。在整机频率分析时，需要分析塔筒振动问题、叶片振动问题、整机振动问题等，其中塔筒振动及叶片振动主要是在塔筒及叶片设计及安全校核时采用，而整机频率校核则影响到整机运行安全及寿命。
图1 为恒定转速风电机组及变转速风电机组的允许频率范围示意图。对于变转速风电机组，以3 叶片为例，其1P 与3P 频率之间的区域为风电机组基础结构设计时需要考虑的整机固有频率允许范围，可见，该区域非常狭小，加之设计时还需要根据规范预留5% － 10% 的安全裕度，则该区域更为狭小，若结构设计的过“柔”，则容易低于该区域下限而产生共振，若设计的过“刚”，则容易高于该区域上限产生共振，加之，处于经济性考虑，整机固有频率又不宜超越3P 上限，因此对风电机组基础结构设计提出了较高要求。
