风电机组结构抗震研究现状

　　1 引言
　　风电机组的结构特点是：
　　（1）结构高度大，体型细长；（2）机舱重量大，集中在塔架顶部；（3）叶轮具有分布质量和刚度；（4）运转时叶轮旋转产生动力效应。
　　从结构抗震的角度看，特点（1）和（2）对抗震不利。高层建筑物要求具有合适的高宽比和比较均匀的质量分布，而风电机组由于发电功能的需要，违反了这两点，决定了它在先天上的抗震缺陷。特点（3）和（4）也是风力发电机组与高层建筑物的不同之处。叶轮叶片位于塔架顶部，而且刚度较小，在地震作用下容易产生端部的“鞭梢效应”，放大叶片的地震响应，这对叶片的安全性不利。而叶轮的旋转也是风力发电机组不同于高层建筑物的一个显著特点，叶轮在运转时遇到地震的工况，是建筑结构抗震中不会涉及到的。
　　从以上分析可以看出，风电机组的抗震性能是其结构安全设计中值得关注的课题。如果忽略风电机组的抗震设计，可能危及其结构安全。而目前风电机组的应用范围越来越广，在地震区也有应用，但世界各国的风电机组设计标准，大多对抗震设计这一内容规定较少。而日本则由于地震多发，针对风电机组的抗震，制定了设计规范。本文总结目前风电机组抗震研究现状，介绍欧洲、日本的风电机组相关抗震标准，并结合中国的实际情况，对中国的风电机组抗震研究提出初步的建议。
　　2 风电机组抗震研究方法及抗震设计标准
　　传统上，抗震是建筑结构工程里的概念。建筑结构的抗震研究方法主要分为两种：一种是动力分析方法，一种是等效静力分析方法。风电机组的抗震也沿用了这两种方法。
　　风电机组地震动力分析一般采用有限元方法，需要风电机组叶片、机舱、塔架的细节信息，但这些信息通常由风电机组制造商掌握，研究者难以获得。Lavassas 采用shell 和brick 单元研究了一台1MW 风电机组原型，但没有考虑叶轮的详细建模以及旋转。Ahlstrom 采用beam 单元建立完整的风电机组模型，用于风电机组在叶片破坏等极端情况下的动力学模拟。该模型也可用于风电机组的地震响应分析。从风电机组的结构特点看，用beam 单元可以足够准确地进行数值离散，而且可以节省计算时间。对于停机的情况，用beam 单元模拟风电机组的地震动力响应已无技术上的问题，只是由于风电机组原型数据的非公开性，导致接近真实的有限元模型难以建立；对于运转的情况，由于叶轮的旋转，其中涉及机械控制等学科，通常的有限元模型还难以模拟复杂的运转工况。GH Bladed 也采用beam 单元，但是把叶轮和机舱、塔架分开建模，分别计算其模态特性，然后耦合，在频域上计算，而不是采用有限元方法中的时域直接积分方法。理论上说，频域方法也是可行的，但GH Bladed 使用的模态数量有限，而且计算结果与通用有限元软件的计算结果存在一定差异，推测与其耦合的机制有关。
　　而风电机组在结构设计时，一般采用等效静力分析方法。该方法的好处是不需要精细的风电机组模型，使用形式简单的计算公式，方便工程设计人员运用。风电机组的设计标准通常规定用等效静力分析方法，典型的标准如IEC61400-1和日本《风力发电设备支持物构造设计指针·同解说》。