随着能源危机和环境问题日趋严重,风能作为一种潜力巨大的清洁可再生能源,获得了前所未有的发展机遇。近年来,风电技术飞速发展,为了获取高空中更丰富更稳定的风资源,风电塔架的高度越来越高。但是,随着高度的增加,风电塔的设计面临造价和安全稳定运行间的巨大矛盾。一方面,如果将高风电塔架设计得较柔,虽然可以降低塔架重量,但是在风荷载和转动的叶轮叶片及它们间的相互作用引起的动荷载下,有可能更容易发生共振和疲劳破坏,另一方面,如果提高塔架的刚度,造价会大大提高。所以,高塔的设计优化非常有意义。为了获得造价合理并可保障风机系统安全稳定运行的风电塔架优化设计,本文提出了基于频率控制的多约束风电塔架优化设计方法。作为研究工作的起步,我们考虑单管型陆上风电塔架,塔架简化成非均匀的悬臂梁结构,其横截面参数作为设计变量,以最小材料体积为目标函数,按照将塔架设计成“刚-刚”或“刚-柔”或“柔-柔”不同类型的要求设定塔架的固有频率约束,采用专业软件Bladed计算结构荷载,按照风电塔规范考虑强度、稳定性和疲劳等约束,这使得优化结构更符合工程设计的实际。考虑到荷载计算工作量很大,整个优化过程分为几个阶段,在每个阶段的开始,前一个阶段的优化设计作为初始设计,并重新计算结构荷载,在该阶段内在固定荷载下用移动渐近线法MMA程序求解优化问题改进设计,所需的频率、强度及疲劳约束灵敏度采用解析法获得。文中对一现有塔架进行优化以说明方法的有效性。风力发电机组是一个复杂的系统,由风轮、机舱、传动系统、控制系统、塔架和基础等部分组成。其结构荷载不仅与复杂多变的外部环境荷载(风荷载等)有关,而且还会受到由于塔架与风机耦合振动引起的动力放大的影响。随着结构尺寸和频率的变化,结构荷载也是有差异的。对于风电塔架而言,表征其结构差异的参数有很多,如塔架体积、固有频率、截面尺寸参数(如半径、壁厚)等。为了验证这些参数对风机塔架荷载的影响程度的差异,采用控制变量的方法定量的研究各参数对结构荷载的影响大小。结果说明塔架的频率对塔架荷载的影响最大。风电塔架会长期受到风轮的转动引起的振动荷载,所以避免塔架在循环荷载下发生共振是非常必要的。根据塔架固有频率与风机工作频率范围的关系,风电塔架可以分成刚-刚、刚-柔、柔-柔等设计类型。本文进一步发展了高风电塔架的分类,更清晰的描述塔架的不同类型。在此基础上,结合本文提出的优化设计方法,可以帮助设计者判定在指定高度和机型下哪种类型塔架更合适,为塔架概念设计阶段提供有价值的参考。