在开发风电项目时，风切变是一个必须被充分考虑到的关键因素。风切变是指风速在垂直和水平方向上的变化，这会影响到风电设备的运行效率和发电能力。由于风切变的存在，不同高度的塔筒需要匹配相应的风切变系数，以确保风电设备的最佳运行效果。因此，在风电项目开发过程中，需要对风切变进行深入的研究和分析，以确定最适宜的塔筒高度和相应的风切变系数匹配。这有助于提高风电项目的发电效率和经济效益，同时也能为风电行业的可持续发展做出贡献。

一、什么是风切变？

风切变是指风速矢量或其分量沿某一垂直或水平方向的变化。

根据风向变化的不同，风切变又可以分为三种：水平风的水平切变；水平风的垂直切变；垂直风的切变。从这些名称中我们可以看出风切变的运动轨迹的大致变化。所谓水平风的水平切变就是指原本沿着水平方向运动的风在水平层面上发生了沿其他方向的风力切变；而水平风的垂直切变则是指原本沿着水平方向运动的风，改变了原有的方向，切变成了垂直方面的风。所以我们可以从中看出，风的切变其实是发生在一个三维立体空间中的变化。

风切变的原因，大致可以分为三种：

第一种是天气变化，比如雷暴等强对流天气发生时，就会产生强下沉气流；冷暖气团交汇时的锋面附近也会产生风切变。第二种是地理环境，比如在高大的山体附近，容易产生气流的切变。第三种是人为因素，比如前一架飞机起飞后产生的扰动乱流引发的风切变，如果间隔时间过短，可能对后一架飞机造成影响。

二、丰富的低风速高切变风资源

在风电行业，风切变通常用于表征风速在垂直方向的变化速率。图给出了100m高度处风速为5.0m/s时，不同高度在不同风切变下的风速变化情况。可以看到，高切变下，高度增加会显著提升风速。

以0.3的风切变为例，塔架高度从100m增加到140m，年平均风速将从5.0m/s增加到5.53m/s，某131-2.2机组的年等效满发小时数可从1991h增加到2396h，提升了20.34%。数据显示，风切变越大、塔架高度越高，发电量增量越大。

产生风切变的原因主要有两大类，一类是大气运动本身的变化；另一类则是地理、环境因素。一般来说，山区风切变低；平原风切变相对较高，尤其在晚上。太阳落山后，地表迅速冷却，近地层大气呈现出上暖下冷的稳定态势。同时气流主要是水平运动，因此会出现上层风速大，下层风速小的现象。在山区，由于山体阻挡了气流运动，本来平稳的气流被扰动，上下层间的风速差距缩小。因此，高切变一般出现在平原地区，例如中东部平原、东北平原等。

图3左边是我国80m高度平均风速分布，右边是我国100m高度平均风速分布；绿色表示年平均风速超过6m/s的地区，蓝色表示年平均风速在5-6m/s之间的地区。对比两图可发现，中东部平原在80m高度的年平均风速仅5-6m/s，但在100m高度，由于平原地区风资源的高切变特性，大部分地区的年平均风速均超过了6m/s。（数值模拟风速值与实际会有偏差，需要根据真实数据进行订正。）

我国处于西风带，中东部平原受山西高原和秦巴山区的阻挡，以及青藏高原的部分影响，其风能资源低于只受大兴安岭阻挡的东北平原，但高于地处青藏高原下游的长江以南地区。

我国江苏、安徽、河南、山东、湖北、河北等低风速区域均有丰富的高切变风资源。如何高效开发利用这类低风速、高切变的风资源，是行业正面临的一大挑战，而高塔正是应对这一挑战的关键技术。

三、高塔架技术将是提高风场经济效益的有效解决方案

在风切变较大的地区，通过增加塔架高度，风轮被托举到风速更高的区域，从而捕获更多的风能，提高机组发电量。因此使用高塔架技术将是提高风场经济效益的有效解决方案。

如在江苏大丰的金风科技产业园里，风切变约0.15，风电机组搭配了85米高的全钢塔架；而在河南兰考的项目，风切变达到了0.3以上，同样是GW121-2.0MW机型，搭配120米的钢混塔架则能带来最优的收益。

目前高塔架技术有两种主流的技术路线，分别是钢混塔架和柔性塔架。这两种技术路线各有特点；钢混塔架，自身钢度大，适合大湍流的项目；柔性塔架，塔架重量轻，经济性较好，对整机的控制策略和硬件加阻技术要求较高，因此，根据适宜的场址风资源特性进行塔架的定制化设计，从而使项目收益最优显得尤为重要。

（一）全钢柔塔及技术难点

全钢柔塔可通俗解释为：塔架的一阶固有频率与机组风轮旋转频率范围有重合。而对于传统的刚性塔架，这两者没有重合。因此柔性是相对于刚性而言，柔性塔架的材料、工艺、运输、吊装和传统刚性塔架并无实质区别。

由于塔架一阶固有频率和风轮转速频率相交，柔塔需要重点解决的就是在相交点对应转速下产生的塔架共振问题。目前常见的柔塔控制策略是采用动态穿越来应对，如图6所示，当机组运行转速接近共振转速时，共振穿越策略会让机组快速地穿越到其他转速，使机组几乎很难在共振转速附近运行，从而有效避开塔架共振问题。部分厂商还会在共振穿越策略避共振的基础上，酌情考虑采用摆锤或水箱等方式对塔架进行加阻，从而进一步削弱机组的塔架共振现象。

但是风轮的转速一旦主动跳过塔架固有频率附近的区间就意味着其控制目标不再是风能的最优捕获，会带来一定的发电量损失。针对该问题国内厂家开展了大量的研究，通过转速拒止区、拓展低转速运行区间、加强塔架和叶片生产和装配质量控制、采用气动阻尼等方式降低振动影响，减少发电量损失。另外，有的厂家采用了更为新颖的控制策略，在新的控制策略中，动态穿越不再作为一个控制手段，仅仅作为防止塔架振动的多重软硬件保护策略中的一种，很少会被触发，也就意味着几乎不损失发电量。

这种新的控制策略主要通过转子不平衡补偿和主动阻尼注入解决塔架共振问题。

风轮的不平衡载荷是以风轮旋转的周期作用到塔架结构上，若这样频率的激励和塔架的固有频率发生相交，就可能导致塔架结构共振。转子不平衡补偿控制技术能够消除这种不平衡载荷，将外部的这种激励输入降到最低。这种技术最初在大叶轮的低风速机组上有过成熟有效的应用，叶轮越大带来的不平衡载荷的影响就越大，柔性塔架把这种不平衡载荷的外部激励进一步放大。不平衡补偿技术有效地解决了这个问题，使柔性塔架控制技术快速发展。

主动阻尼注入就是用软件控制变桨策略，实现实际上的阻尼效果，进一步抑制塔架可能的振动状态，将振动的初始状态遏制在摇篮里。从而有效抑制产品塔架振动的外部激励。同时再通过变桨控制形成强大的气动结构阻尼作用，本质上就是让动态穿越技术不再作为常态的控制方法而蜕变成保护策略的一种。这是风力发电机组控制技术持续进步给全钢柔塔技术带来的突破。

全钢柔塔需要解决的另一个技术难点是控制塔顶摆幅。风电机组可以简化为一个固定端在大地的单臂梁，高度越高，相当于梁的长度越长，则自由端的摆幅将越大。因此，在同样情况下，相比传统较低的塔架，高塔架摆幅相对较高。此问题可通过塔架加阻，及由控制系统调整叶片气动加阻等方式解决，这也是目前厂商采用较多的方式。

高塔架在安装和运行过程中还可能遇到涡激振动问题。任何非流线型物体，在一定的稳定流速下，都会在物体两侧周期性交替的产生脱离结构物表面的涡旋，即边界层脱离。这种交替发生的涡旋会在筒体上产生横流向周期性变化的脉动压力，脉动压力的频率如果和结构固有频率接近，就会引发筒体横向的周期性振动，这种规律性的柱状体振动反过来又会改变其尾流的涡流脱落形态，恶化表面漩涡的脱离。这种流体-结构物相互作用的现象，被称作“涡激振动”。

解决高塔架吊装过程中的涡激振动问题，目前采用较多的方式是在吊装阶段给上段的塔架附加扰流条工装，破涡止振，也可通过塔架在安装阶段安装阻尼器工装或变桨气动加阻的方式抑制吊装阶段和机组上电前的涡激振动问题。

通过以上分析可以看出，全钢柔塔的主要技术挑战并不在塔架本身，其生产、运输过程与传统塔架并无区别。风力发电机组整体控制水平的提高才是全钢柔塔应用的关键。

（二）钢混塔及技术难点

钢混塔一般指钢材和混凝土共同构成的塔架，其下部是混凝土段，上部是钢塔段，因此钢混塔更像是提升了基础高度的传统钢塔。就整机控制而言，钢混塔的控制和传统钢塔差异不大。2013年，90米高钢混塔架机组在达坂城风电场并网发电，至今运行效果良好，为后续钢混塔在高塔架方面的应用打下了良好基础。近日，在盐城大丰，140米钢混塔也已完成吊装。

钢混塔架的更多技术难点不仅在于如何在国外成熟的钢混塔架技术路线的基础上自主研发适用于国内风电场的钢混塔架设计，可以系统地看到它还包括：与项目执行相关的钢模具设计、结构设计、供应链体系开发等问题。国内针对钢混塔架，开展了大量的研究，进行了室内缩比结构试验及样机验证。

1.模具设计

当采用项目机位点进行现场浇筑方式生产时，钢模具应设计具有足够强度、稳定性的内模内撑桁架系统；采用预制方法进行钢混塔架项目建设时，应主要控制预制节段精度问题；模具设计理念、使用方便与否将直接影响混凝土塔筒预制效率，贴合项目的模具设计也是一个企业研发能力的体现，且大规模的项目开发必将需求更先进的模具工艺。

2.结构设计

如何设计适合国内风电场建设周期、具有优异阻尼特性且振动模态的钢混塔架设计成为整个钢混塔架结构研发的重点。通过不断迭代塔架荷载，优化钢塔筒段与混凝土段比例，确定设计方案，均需多次反复才可实现；同时需要将土建行业成熟的预应力技术引入至风电塔架中，是在国内的首次尝试；如何参照国内外行业规范设计出满足疲劳荷载预应力混凝土结构、钢混塔架连接位置强度设计、基础与塔架连接的设计理念都需要在结构设计中体现。自主研发路线往往需要较长时间的仿真分析及模型试验，在经样机监测可靠后推向市场的产品才称得上成熟。

3.供应链体系开发

钢混塔架涉及专业较广，且并非传统的水平向、竖直受力类桥梁结构，无论从需求材料、工艺开发等均应满足电力设计行业标准，开发一套完备的供应链体系，需要较长时间。

为解决混凝土疲劳问题，将建筑桥梁的预应力技术运用到钢混塔架；为解决运输问题，设计要考虑分段分片设计和运输保护。

国内采用的钢混塔架项目多为预制式生产，在今后看来，如何将混凝土塔筒改为集约工厂化生产，使得产品更具有运输便利性；如何将预制拼装方式采用更先进的工艺拼装，均是今后将考虑解决的问题。市场调研显示，目前已有厂家通过预制工艺革新，探索出了一条更具有竞争力的钢混塔架解决方案。

综上所述，高塔技术并非简单的塔架高度增加，其本质是通过先进技术手段解决塔架增高带来的新挑战。

采用高塔架技术提升机组发电量是当今世界流行且成熟的一种技术手段，但高塔架并非增加塔架高度这么简单。开发商在采用高塔架技术方案时务必严格遵守相关技术标准和规范，以保障高塔架机组的运行安全性并实现发电量预期。

虽然国内高塔技术起步较晚，但发展迅速。从目前已安装和运行高塔架风场的情况看，国内领先厂家已经具备高塔架批量商业化运行的技术水平，但是开发商务必充分认识高塔架的技术难度和质量风险，谨慎选择经过评估认证和实践验证的，符合标准规范要求的，安全可靠的高塔架风力发电机组。

文章来源： ​风电干货，中国风能协会，气象科普