我国东南沿海属于台风频发地区，据气象统计结果表明，1949-2012年热带气旋登陆我国大陆共531次，其中台风153次，强台风38次，超强台风6次。以浙江为例，自1997年浙江省规模化开发风电以来，海上风电场共有23个台风影响，而其中对风电设备造成百万元以上破坏的有8个台风，千万元以上损失的有2个台风；与此同时，2003年9月2日，登陆广东省的“杜鹃”台风也造成汕尾某风电场损失上千万元。

随着新建风电场单机容量的增加，一旦发生台风灾害，对海上风电场的破坏程度将愈加严重。因此，针对我国海上风电进行相关的抗台风措施是非常重要的。

图1 1949-2012年我国近海台风统计结果

台风对海上风电的影响

1、叶片断裂

在风力发电机组中，叶片刚度远小于基础与塔筒，是柔性最大的构件。此外，为了捕捉更多的风能，叶片通常采用较为复杂的结构形式，振动形式及失效模式复杂多样，其中以叶片根部折断、叶片局部弯剪扭破坏为主。一般来说，叶片会同时承受弯矩、扭矩及剪力，在三者共同作用下，叶片会在最薄弱位置形成纵向、横向不规律的作用，当达到一定的疲劳状态下则产生裂痕，甚至破坏性断裂损坏。由于叶片根部的弯矩与剪力通常最大，叶片根部容易折断。

图2 叶片断裂

2、整体倾覆

海上风力发电机组在台风作用下，如果基础尺寸或者埋深不够，将导致基底大面积脱开，进而结构整体倾覆。这种结构失效形式又称为颠覆性破坏，将带来巨大的经济损失。

3、塔筒折断

塔筒刚度远不如基础，但塔筒底部承受与基础相近的荷载。塔筒中最为薄弱的环节是塔筒底部且未设置加强环的部位，尤其是存在明显的应力集中的塔筒门处。极端风速作用在风电机组上的风荷载与风速平方成正比，当它大于结构强度的设计值时，结构材料发生屈服破坏。2003年3月，台风"埃丽卡"登陆西南太平洋上新喀里多尼亚岛，造成5台V27桁架式风力发电机组由于塔筒底部失效而倒塔。

4、设备失控

强台风来袭时，为保证风机安全，风机将采取停机保护，偏航系统将风机正面朝向来风，避免机舱和风机侧向受力过大，同时通过变桨操作减少叶片的受力。此时，采用偏航液压刹车、阻尼器加偏航轴承以及偏航驱动机构的自锁装置等保持风轮位置，但由于风向多变，存在风轮的机舱位置被大风吹转方向的可能，导致风机偏航系统在此过程中受到严重损坏。

抗台风设计

根据台风对风电场的破坏原因，充分了解到现有的风电机组的不足之处，可通过改善叶片设计、塔筒的改造、机舱改进、基础的设计、备用电源、风电机组控制策略的改进提升海上风电机组的抗台风能力。

1、叶片的改进

现在风力发电机组单机容量不断提高，叶片长度超过60m，在台风来袭时，叶片上的风载巨大，很容易导致叶片发生形变和断裂，要改善这种情况就需要提高叶片的刚度，但是会相应地增加风电机组的成本，因此，要对叶片进行改进设计。

采用柔性智能叶片

柔性智能叶片可以克服刚性叶片的缺点，它可以根据风速的变化相应改变受风的型面，在增加风能获取量和转化量的同时，改善叶片的受力状态，化解风的破坏力，有利于风电机安全稳定的运转，而且风载特性是靠叶片自身结构的受力型态实现的，不存在滞后性，也不存在机械和电子故障，因而更加简单可靠。

其他设计

在叶片生产过程中，应进一步加强叶片局部缺陷检测力度，以改善叶片的抵御台风能力；在超出风机抗台风极限风速时，允许叶片在某位置折断设计，减少风机受风负载，保护塔筒的抗风能力；或应采用新材料，如采用炭纤维叶片在叶片上的应用是大型海上风电场叶片的趋势。

图3 炭纤维与玻璃纤维风机叶片比较

2、基础的设计

海上风力发电机组的基础处在海洋环境，因而不仅承受风机的自重和风载荷，还要承受波浪、水流、海洋生物等对其施加的载荷，以及海水的腐蚀。一般海上风电机组基础的设计级别为正常安全等级，为了保证基础的安全性，将基础设计的安全水平提升到高安全水平，确保整体结构的频率特性以及在极端海况下的结构的转角、位移满足要求。

3、塔筒的改进

海上风机的成本中塔架只占很小的一部分，但是塔架倒塌会给风电场带来颠覆性破坏，不仅会造成整台风电机组的破坏，还会造成风电机运输和安装费用一同损失。因此要高度重视塔架的设计，提高安全系数。

采用钢筋混凝土塔筒

由于作用于结构上的风荷载与结构形状、迎风面积、自振周期等因素紧密相关，研究表明：在装机容量相同的情况下，作用于钢筋混凝土塔筒上的风荷载要明显小于钢塔筒。其次，综合各国的情况，钢结构的阻尼比一般为0.01~0.02，钢筋混凝土结构的阻尼比为0.03~0.08。显然，钢筋混凝土的阻尼比要远大于钢结构，塔筒拥有较大的阻尼比，故而能够消耗较多的能量，对抗台风设计有利。此外，钢筋混凝土塔筒还有耐腐蚀性好、造价低廉、自重较大等优点。

图4 钢筋混凝土塔筒

塔筒的设计

海上风电机组塔筒应充分考虑在台风的影响下塔筒的屈曲情况，选用高强度的塔筒材料；或增加导管架或基层平台的高度，减少塔筒的高度，减少风机机舱摇摆幅度。

4、机舱改进

机舱加固

台风过程中，机舱的天窗容易被吹掉，导致机舱大量进水，使机舱内电气元件损坏。应对固定螺栓周围的连接面采取相应措施，加强连接强度。

优化设计

为了避免在台风期间被叶片打到造成塔筒折断，风机可以采用下风向对风，机舱改为流线型设计，减少风的阻力，增强抗台风能力。

5、风电机组控制策略

台风影响过程中，极大风速、湍流和风向突变是造成风电机组破坏的三大主要因素。对于极大风速，要确定合理的设计思路，控制损坏风险；而改进风电机组的控制策略是应对湍流和风向突变的有效手段，也是成本最小的抗台风设计方法。

刹车系统控制策略

台风期间，风电机组的叶轮必须处于空转状态，叶片顺桨；高速刹车系统应保证在松闸状态，禁止抱死，因为在高速刹车系统抱死的情况下，叶轮在台风的作用力下无法卸能，风电机组的叶片或塔筒可能会在瞬间折断。因此，要改进机械刹车停电动作的控制策略，加装备用电源或改变控制逻辑，在叶片顺桨、机组正常停机后，松开刹车，让顺桨的风轮处于自由转动状态。这样在台风过程中可以改善叶片的受力状况，当某叶片受力过大时，风轮会旋转到各叶片受力均衡位置，避免个别叶片处于最不利的受力位置，产生扭谐振或其他不利情况。

变桨、偏航系统控制策略

强台风期间，电网在断电的状态下偏航失效，风轮无法调整对风，当风从正前方吹来时，风电机组的风荷载最小。但台风过程中，风向变化180°左右，而风电机的偏航系统因停电无法对风转向，狂风可能从受力情况最差的侧面吹来，侧面风荷载比正前方大30％左右，增加了叶片、塔架和基础的载荷。因此台风期间，风电机组控制系统和偏航系统应保证后备电源正常工作6小时以上，并具有不间断调节能力。

防范强台风时，要求对风电机组变浆的紧急备用电源正常投入，确保停机时风机叶片能够执行顺浆避风的安全指令，使叶轮应处于自由旋转状态，避免设备与台风湍流频率形成共振；液压变浆风机应保证液压控制系统正常，液压储能装置能最少完成一次变桨的能量，叶片可随风力大小自动调整叶片转角，当停机时液压释放叶片自动顺浆以确保风机安全；电动变桨风电机组应为每个叶片安装独立的变桨超级电容，必须满足叶片最少能完成一次顺桨的电能；偏航系统应根据风机的测风系统，保证风机叶轮正对风力风向，以确保风机受风负载最小；同时，应确保通信信号数据畅通，实时监控台风数据。

结语

我国海上风电起步晚，海上风电抗台风设计还需要不断研究探索，寻找更适合我国沿海特殊条件的设计和控制措施，以确保我国海上风电的安全、可靠、快速发展。