风力发电高塔系统抗风动力可靠度分析

摘要：在这能源匮乏的时代，风能作为可再生资源为世界各国寻找能源替代品探明了方向。虽然我国为风能使用大国，但在风力发电高塔系统中缺乏自主创新，所以需在分析风力发电高塔系统抗风动力可靠性的基础上，建设具有中国特色的风力发电高塔系统。

关键词：风力发电；高塔系统；抗风动力；可靠度

受化石能源资源日趋枯竭、能源供应安全和保护环境等的驱动，自20世纪70年代中期以来，世界主要发达国家和一些发展中国家都重视风能的开发利用。特别是自20世纪90年代初以来，现代风能最主要的利用形式――风力发电的发展十分迅速，与其他可再生能源相比，风力发电在经济上更具有竞争优势，因而发展迅速。利用风力发电，以节约能源，改善环境，缓解电力供应紧张状况，具有重要的现实意义。

然而， 我国作为世界上的风能大国，尚不具备独立开发大型风力发电高塔系统的能力。因此，建立正确评估风力发电高塔系统结构动力可靠度的分析方法，并基于结构整体可靠度，为风力发电高塔系统的结构设计、施工提供科学依据和技术支撑很有必要。

概率密度函数由陈建兵、李杰研究的广义概率密度演化方程得到，在极值分布理论的基础上，得到分析动力可靠度的办法，且论证等价极值事件后，得到结构体系可靠度。本文将此办法运用于1.25MW的风力发电高塔系统的抗风动力可靠度研究中，对风力发电钢塔与钢筋混凝土高塔的抗风动力可靠度进行了分析和比较。

1.分析风力发电高塔系统抗风动力可靠度

1.1结构模型

1.2抗风动力可靠度分析

根据广义的概率密度演化方程，设计目标着眼稳定性、塔体强度、正常使用性能，在极值分步法基础上，对风力发电高塔系统的抗风动力可靠性进行分析的步骤如下：

1.风力发电钢塔。使用性能分析是正常运行风力发电高塔系统的前提，比如桨叶不可接触塔体，具体指标是桨叶位置最低时塔体、叶尖的距离。可以塔顶位移替代塔体与叶尖距离做分析。以随机动力响应分析为指导，得到真实的塔顶位移极值常规分布，比如标准正态、正态、瑞利分布比较（如图1所示），并在MCM、PDEM基础上得到可靠度动力比较。分析发现分布结果存在差异，瑞利分布所得结果失真，而对数正态、正态分布的精度也差。但比较Monte Carlo法，本法在高界限、低阶限都具有良好的精度。可靠度分析方法在跨越过程动力基础上精度并不高，宽带也对Markov假定做了限制，二者效率差别大。Monte Carlo法耗时上千小时，而本法仅27.5h。表1为结构动力可靠度，分析发现，阀值增加，可靠度降低。本文机构模型的塔顶位移阀值是1.5m，其可靠度为0.9969。塔体与桨叶碰撞相对极端造成了动力可靠度值较大。在塔体、桨叶碰撞前，该系统已不能运行。目前没有合适的性能指标解释过大结构变形造成的停机事件，所以，一直沿用该指标。根据模态分析，柔-柔结构为1.25MW的风力发电钢塔系统结构，柔-柔结构成本低，但性能较差。因柔度大而受力易变形，导致的碰撞发生。

图1 风力发电钢塔塔顶位移极值 表1 不同阈值下（钢塔）抗风动力可靠度

2.钢筋混凝土风力发电高塔。该结构高塔以钢筋拉强度、混凝土抗压强度来确定强度，以基地弯矩表示极限承载力，除塔体与桨叶分离要求外，对混凝土裂缝也有要求。本文在塔顶位移基础上做随机动力响应分析。图2所示为真实塔顶位移极值、标准差及相同均值的分布比较，进而获得基于广义概率密度演化方法与Monte Carlo法的可靠度比较。结构抗风动力可靠度与塔顶位移阀值的关系如表2所示。分析发现，阀值增加带动可靠度增加，0.6m为钢筋混凝土风力发电的高塔塔顶位移的阀值，1.0000为动力可靠度。和风力发电钢塔相比，该高塔可靠度更高，这要归结于刚度的增强。

图2 钢筋混凝土高塔塔顶位移极值 表2 不同阈值条件下抗风动力可靠度

如表3所示为钢筋混凝土风力发电高塔与风力发电钢塔的抗风力可靠度比较数据。分析发现风力发电钢塔可靠度较高，抗风动力可靠度的强度系数高于稳定性系数，实际破坏中失稳破坏较为多发，因此，风力发电钢塔常出现结构失稳，而钢筋混凝土风力发电高塔的基地弯矩、强度、塔顶位移等方面可靠度较高，但受裂缝宽度限制，可以钢筋混凝土预应力结构搭建高塔，克服裂缝影响。在设计指标相同前提下，风力发电钢塔的抗风动力可靠度小于钢筋混凝土风力发电高塔。

表3 风力发电钢塔和钢筋混凝土风力发电高塔抗风动力可靠度

3.结语

（1）风力发电高塔系统的抗风动力可靠度研究分析中引入广义的概率密度演化理论是可行的。

（2）与相同设计指标的风力发电钢塔相比，钢筋混凝土风力发电高塔的抗风动力可靠度更高。

风力发电具有无环境污染、能源再生的特点，应该自主创新，开拓进取，在抗风动力可靠度研究上下功夫。

参考文献：

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