海上風電由于具有風速高、湍流強度小、不占陸地面積等優點，逐漸成為我國沿海地區的重要能源項目。但是，與陸上風電機組相比，海上風機面臨的環境更為復雜,不僅需承受機械控制荷載等內部荷載作用，還得承受永無止息的海上風、波浪等隨時間和空間變化的外部環境荷載共同作用，有時還可能遭受地震荷載的侵襲。如果對海洋環境的復雜性和隨機性以及海上風機的動力響應特性認識不充分，不僅影響海上風電機組的正常運行，降低輸出電能質量，加劇風機各零部件的疲勞，縮短機組壽命，并且持續性的風力和波浪力作用在風機結構上，極易產生振動問題，可能導致不可預測的安全事故發生，造成重大經濟損失和不良社會影響。因此在分析海上風機的振動特性時，要充分考慮風和海浪對海上風機的作用。

振動監測

1風電塔筒振動監測

塔筒和基礎是組成風機的兩個重要部分。風機塔筒一般為錐形結構，頂部安裝有機艙和葉片，正常運營中的風機塔筒要承受風荷載、機艙和葉片的重力、風機塔筒振動產生的慣性力、風機控制系統運行荷載等多種荷載的共同作用，由于風荷載的隨機性，綜合其他荷載，塔筒必然發生變形和振動，而這種振動將會造成塔筒結構附加應力，并且會大概率引起塔筒與葉片的共振，從而影響整個風機的穩定性，因此在風機安全監測中振動監測是重中之重。

2016年，臺風“尼伯特”登陸某海上風電場，其登陸該風電場時為強熱帶風暴，最大風力10級，最大風速25 m/s。臺風影響期間，該風場1號風機完整監測了“尼伯特”臺風整個過程中風機結構的振動情況。1號風機監測加速度計安裝位置如圖1所示。

圖1 1號風機振動加速度計安裝布置圖（單位：mm）

結果表明，1號風機臺風前、臺風期間、臺風后三個時間段內都開啟自由偏航功能，造成機艙隨風向的變化發生頻繁的偏航事件，進而產生強烈的振動信號。偏航引起的振動雖然單次持續時間較短，但其加速度振幅遠大于正常狀態時加速度振幅值，由此可以推測，偏航引起的振動是風機健康狀況的重要影響因素。

并且通過“尼伯特”臺風期間監測數據比較，確認1號風機所測振動數據真實可靠，為檢驗和完善風機塔筒和基礎設計方案提供了重要依據，具有較大的工程應用價值。

2基礎振動監測

海上風機基礎結構的安全是風電場安全運營的重中之重，因此對海上風機基礎結構的安全監測變得非常重要。常規的海工結構安全監測通過人工現場采集傳感器數據的方式進行，根據現場監測結果確定結構所處狀態。但是由于海上風電場通常遠離海岸線，直線距離通常在數十海里以上，航道距離則更長，日常的維護檢測相當困難，采用通常的人工監測的方式根本不可能在第一時間發現問題，尤其是臺風、大潮汛期間等天氣惡劣的情況下，對海上風機基礎結構的受力、振動狀況尤為關注，但是惡劣的情況下反而不具備出海監測的條件。

所以常規人工監測的方法因為效率低下、受環境因素影響較大等原因，完全不能滿足海上風機結構安全監測的要求。隨著遠程通信技術、傳感器技術的發展，遠程自動化監測成為可能。

有學者提出了一種可用于海上風機基礎結構安全監測的遠程自動化監測方案，開發了相應的軟、硬件系統，對風機基礎結構的受力狀況、振動狀況、腐蝕保護狀態進行實時監測。解決了人工監測效率低、數據完整性和實時性差等問題，系統集振動監測、結構安全監測、陰極保護電位監測于一體，建立專用的信息管理平臺，對所有安全監測數據 進行統一存儲、管理、維護與分析，通過信息化手段提高監測水平，為設計人員和管理者科學決策提供依據。系統可在無人值守的情況下實時、準確地獲得風機上的監測數據。這對于風電基礎結構的安全有著重要的意義，克服了傳統的人工監測手段的諸多弊端，能更客觀地反映實際的風電基礎的狀況。對保障海上風電基礎結構的安全性、降低企業后期維護成本，起到了重要的作用。

振動監測實例

風機結構一直處于復雜的環境和運行狀態中，機艙隨著風向偏航，葉輪轉速和槳距角隨風速大小而調整，以產生最大的和穩定的電能。為了掌握風速、葉輪轉速、葉片槳距角和機艙方位角之間的關系，需對風機的不同運行狀態進行分類。

有學者以某海上風電試驗樣機為研究對象，基于現場原型觀測獲取整體風機結構在停機、正常運行、開(停)機及臺風工況下的振動響應數據。測試所用海上風電試驗樣機位于我國黃海海域內，主要參數為：額定功率2.5MW，額定轉速18r/min，基礎采用復合式筒型基礎形式。風機葉輪直徑93.4m，輪轂高度80.0m，塔筒為3段式安裝，機艙與塔筒及相鄰塔筒之間設有工作平臺。本次測試在塔筒內部由上至下布置5個測點，位置為距離工作平臺高約1.5m處的塔筒壁上，具體布置位置如圖2所示。

圖2 工程位置與原型觀測測點布置

結果表明，在風機處于停機狀態下，結構振動隨環境風速的增加而顯著增大；而運行狀態時，葉輪轉速對結構振動影響效應明顯，對振動變化起到主導作用。風機的啟停機過程中，均存在一定的過渡階段，由于機艙偏航的影響，停機過程的振動速度比正常運行時還要大；大風速工況下，當風速超過切出風速時，由于風機停機，葉片順槳，此時的振動速度比額定功率時要稍小一些。臺風期風機在額定轉速運行時的振動超過實測最大風速時停機工況的響應。塔筒頂部與基礎頂部振動響應同步性說明整體風機具有很好的變形協調性。

結語

隨著新技術的開發和新型材料的使用，海上風電結構在風機葉片、塔架結構和基礎結構等各方面的研究已經相對比較成熟。為降低經濟成本，提高海上風電效益，風機正朝著大型化、柔性結構的方向發展。目前，我國在海上風機基礎結構的設計、實驗、及施工等諸多方面的研究尚處于起步階段，相關經驗較為匱乏，開展海上風機安全監測，對全面分析風機結構的壽命及安全性具有重要意義。