海上风电由于具有风速高、湍流强度小、不占陆地面积等优点，逐渐成为我国沿海地区的重要能源项目。但是，与陆上风电机组相比，海上风机面临的环境更为复杂,不仅需承受机械控制荷载等内部荷载作用，还得承受永无止息的海上风、波浪等随时间和空间变化的外部环境荷载共同作用，有时还可能遭受地震荷载的侵袭。如果对海洋环境的复杂性和随机性以及海上风机的动力响应特性认识不充分，不仅影响海上风电机组的正常运行，降低输出电能质量，加剧风机各零部件的疲劳，缩短机组寿命，并且持续性的风力和波浪力作用在风机结构上，极易产生振动问题，可能导致不可预测的安全事故发生，造成重大经济损失和不良社会影响。因此在分析海上风机的振动特性时，要充分考虑风和海浪对海上风机的作用。
振动监测
1风电塔筒振动监测
塔筒和基础是组成风机的两个重要部分。风机塔筒一般为锥形结构，顶部安装有机舱和叶片，正常运营中的风机塔筒要承受风荷载、机舱和叶片的重力、风机塔筒振动产生的惯性力、风机控制系统运行荷载等多种荷载的共同作用，由于风荷载的随机性，综合其他荷载，塔筒必然发生变形和振动，而这种振动将会造成塔筒结构附加应力，并且会大概率引起塔筒与叶片的共振，从而影响整个风机的稳定性，因此在风机安全监测中振动监测是重中之重。
2016年，台风“尼伯特”登陆某海上风电场，其登陆该风电场时为强热带风暴，最大风力10级，最大风速25 m/s。台风影响期间，该风场1号风机完整监测了“尼伯特”台风整个过程中风机结构的振动情况。1号风机监测加速度计安装位置如图1所示。
图1 1号风机振动加速度计安装布置图（单位：mm）
结果表明，1号风机台风前、台风期间、台风后三个时间段内都开启自由偏航功能，造成机舱随风向的变化发生频繁的偏航事件，进而产生强烈的振动信号。偏航引起的振动虽然单次持续时间较短，但其加速度振幅远大于正常状态时加速度振幅值，由此可以推测，偏航引起的振动是风机健康状况的重要影响因素。
并且通过“尼伯特”台风期间监测数据比较，确认1号风机所测振动数据真实可靠，为检验和完善风机塔筒和基础设计方案提供了重要依据，具有较大的工程应用价值。
2基础振动监测
海上风机基础结构的安全是风电场安全运营的重中之重，因此对海上风机基础结构的安全监测变得非常重要。常规的海工结构安全监测通过人工现场采集传感器数据的方式进行，根据现场监测结果确定结构所处状态。但是由于海上风电场通常远离海岸线，直线距离通常在数十海里以上，航道距离则更长，日常的维护检测相当困难，采用通常的人工监测的方式根本不可能在第一时间发现问题，尤其是台风、大潮汛期间等天气恶劣的情况下，对海上风机基础结构的受力、振动状况尤为关注，但是恶劣的情况下反而不具备出海监测的条件。
所以常规人工监测的方法因为效率低下、受环境因素影响较大等原因，完全不能满足海上风机结构安全监测的要求。随着远程通信技术、传感器技术的发展，远程自动化监测成为可能。
有学者提出了一种可用于海上风机基础结构安全监测的远程自动化监测方案，开发了相应的软、硬件系统，对风机基础结构的受力状况、振动状况、腐蚀保护状态进行实时监测。解决了人工监测效率低、数据完整性和实时性差等问题，系统集振动监测、结构安全监测、阴极保护电位监测于一体，建立专用的信息管理平台，对所有安全监测数据 进行统一存储、管理、维护与分析，通过信息化手段提高监测水平，为设计人员和管理者科学决策提供依据。系统可在无人值守的情况下实时、准确地获得风机上的监测数据。这对于风电基础结构的安全有着重要的意义，克服了传统的人工监测手段的诸多弊端，能更客观地反映实际的风电基础的状况。对保障海上风电基础结构的安全性、降低企业后期维护成本，起到了重要的作用。
振动监测实例
风机结构一直处于复杂的环境和运行状态中，机舱随着风向偏航，叶轮转速和桨距角随风速大小而调整，以产生最大的和稳定的电能。为了掌握风速、叶轮转速、叶片桨距角和机舱方位角之间的关系，需对风机的不同运行状态进行分类。
有学者以某海上风电试验样机为研究对象，基于现场原型观测获取整体风机结构在停机、正常运行、开(停)机及台风工况下的振动响应数据。测试所用海上风电试验样机位于我国黄海海域内，主要参数为：额定功率2.5MW，额定转速18r/min，基础采用复合式筒型基础形式。风机叶轮直径93.4m，轮毂高度80.0m，塔筒为3段式安装，机舱与塔筒及相邻塔筒之间设有工作平台。本次测试在塔筒内部由上至下布置5个测点，位置为距离工作平台高约1.5m处的塔筒壁上，具体布置位置如图2所示。
图2 工程位置与原型观测测点布置
结果表明，在风机处于停机状态下，结构振动随环境风速的增加而显著增大；而运行状态时，叶轮转速对结构振动影响效应明显，对振动变化起到主导作用。风机的启停机过程中，均存在一定的过渡阶段，由于机舱偏航的影响，停机过程的振动速度比正常运行时还要大；大风速工况下，当风速超过切出风速时，由于风机停机，叶片顺桨，此时的振动速度比额定功率时要稍小一些。台风期风机在额定转速运行时的振动超过实测最大风速时停机工况的响应。塔筒顶部与基础顶部振动响应同步性说明整体风机具有很好的变形协调性。
结语
随着新技术的开发和新型材料的使用，海上风电结构在风机叶片、塔架结构和基础结构等各方面的研究已经相对比较成熟。为降低经济成本，提高海上风电效益，风机正朝着大型化、柔性结构的方向发展。目前，我国在海上风机基础结构的设计、实验、及施工等诸多方面的研究尚处于起步阶段，相关经验较为匮乏，开展海上风机安全监测，对全面分析风机结构的寿命及安全性具有重要意义。
