文／蔡繼峰 王丹丹 黃宇同 孫少華

風(fēng)電機(jī)組模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法探討

文／蔡繼峰 王丹丹 黃宇同 孫少華

近年來，隨著資源消耗、環(huán)境污染等問題日漸突出，風(fēng)能作為一種可再生的清潔能源越來越受到重視。目前，我國風(fēng)電裝機(jī)總量位居世界第一，新增裝機(jī)容量穩(wěn)中有降，風(fēng)電事業(yè)已進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。由于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量已經(jīng)步入多兆瓦級(jí)并國產(chǎn)化后廣泛投入到風(fēng)電場(chǎng)中使用。葉片作為兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組中核心部件其長度已達(dá)幾十米且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳動(dòng)鏈以及塔筒等關(guān)鍵部件尺寸也隨之增加，通過試驗(yàn)測(cè)試風(fēng)電機(jī)組相關(guān)部件的固有頻率難度隨之增加，且在此基礎(chǔ)上能夠消除測(cè)試中干擾因素以及提高模態(tài)識(shí)別精度顯得更為重要。目前，模態(tài)測(cè)試主要部位為葉片、傳動(dòng)鏈和塔架，通常的測(cè)量是在相應(yīng)的位置粘貼應(yīng)變片，然后進(jìn)行時(shí)序信號(hào)的采集，最后通過信號(hào)分析，來獲取相應(yīng)位置的模態(tài)頻率。但是目前直接進(jìn)行時(shí)序信號(hào)的頻譜分析時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)多個(gè)峰值將真正的模態(tài)頻率淹沒其中，或者沒有峰值造成無法辨識(shí)真正的模態(tài)頻率，如圖1所示。本文在通過大量實(shí)踐后，結(jié)合數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)，給出了一套能較為有效的辨識(shí)真正模態(tài)頻率測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方法。

頻譜分析方法簡介

本文采用的是MATLAB軟件平臺(tái)下的MCPSDE方法（Modified Covariance Power Spectral Density Estimation），相比簡單的FFT變換，該方法會(huì)額外進(jìn)行修正濾波，以減少頻域分析結(jié)果曲線的毛刺，對(duì)比結(jié)果見圖2，使用該方法時(shí)需要輸入用以進(jìn)行FFT變換的樣本點(diǎn)數(shù)和濾波的階數(shù)。

圖1 葉片正常運(yùn)行揮舞信號(hào)FFT變換譜線圖

基于機(jī)組狀態(tài)的模態(tài)測(cè)試方案選擇

單純使用MCPSDE方法，依然會(huì)出現(xiàn)真正的模態(tài)頻率被其它信號(hào)所淹沒，無法區(qū)分的情況。這就需要對(duì)測(cè)試時(shí)的機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行選擇，讓待分析的模態(tài)在該機(jī)組狀態(tài)下能量成分相對(duì)較高。例如：葉片揮舞方向在正常運(yùn)行下，模態(tài)能量成分相比其它成分并不明顯，而在空轉(zhuǎn)時(shí)則相對(duì)較高，如圖3所示。因此，當(dāng)需要進(jìn)行葉片揮舞頻率的測(cè)試時(shí)，應(yīng)選擇機(jī)組在空轉(zhuǎn)時(shí)的進(jìn)行測(cè)試和分析。

圖2 MCPSDE方法與FFT方法結(jié)果比對(duì)

經(jīng)過對(duì)大量的機(jī)組模態(tài)分析經(jīng)驗(yàn)歸納，各個(gè)部位的模態(tài)頻率測(cè)量推薦機(jī)組狀態(tài)見表1。

表1的結(jié)果雖然是從實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)歸納而來，但結(jié)合理論分析也能找到相關(guān)原因：

a：傳動(dòng)鏈模態(tài)適宜在停機(jī)過程中測(cè)試，因?yàn)橥C(jī)過程對(duì)傳動(dòng)鏈有較大的沖擊，引起傳動(dòng)鏈較大的振動(dòng)，使模態(tài)能量成分較高。

圖3 正常運(yùn)行和空轉(zhuǎn)下葉片揮舞方向的頻譜結(jié)果比對(duì)

表1 風(fēng)電機(jī)組各部位模態(tài)分析推薦機(jī)組狀態(tài)表

a 葉片揮舞模態(tài)頻譜圖（空轉(zhuǎn)）

b 葉片擺振模態(tài)頻譜圖（正常運(yùn)行）

c 傳動(dòng)鏈模態(tài)頻譜圖（急停）

d 塔架前后模態(tài)頻譜圖（急停）

圖4 推薦機(jī)組狀態(tài)下的各部位頻譜圖（a-e）

b：塔架模態(tài)不適宜在正常運(yùn)行中測(cè)試，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的3P分量會(huì)傳遞給塔架，影響塔架模態(tài)分析，而在停機(jī)過程和空轉(zhuǎn)下則無該影響。

c：葉片模態(tài)測(cè)試，在空轉(zhuǎn)時(shí)槳距角在90度附近，加上沒有機(jī)組運(yùn)行帶來的影響，葉片揮舞方向的振動(dòng)可以在空

對(duì)傳動(dòng)鏈有較大的沖擊，引起傳動(dòng)鏈較大的振動(dòng)，使模態(tài)能量成分較高。

b：塔架模態(tài)不適宜在正常運(yùn)行中測(cè)試，因?yàn)樵谡＿\(yùn)行時(shí)風(fēng)輪的3P分量會(huì)傳遞給塔架，影響塔架模態(tài)分析，而在停機(jī)過程和空轉(zhuǎn)下則無該影響。c：葉片模態(tài)測(cè)試，在空轉(zhuǎn)時(shí)槳距角在90度附近，加

上沒有機(jī)組運(yùn)行帶來的影響，葉片揮舞方向的振動(dòng)可以在空轉(zhuǎn)時(shí)很好的被凸顯，而對(duì)于葉片擺振方向的振動(dòng)，則在槳距角0度附近的時(shí)候才能較好的體現(xiàn)，所以選擇正常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行葉片擺振模態(tài)的測(cè)試。

某機(jī)組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果

按上述推薦方法，對(duì)某機(jī)組的模態(tài)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可以看出，被測(cè)機(jī)組的各個(gè)部位的模態(tài)頻率，通過該方法可以很好在頻譜圖中得以表現(xiàn)。

結(jié)論

本文通過合理的理論分析結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，給出風(fēng)電機(jī)組不同部位的模態(tài)測(cè)試時(shí)優(yōu)選的機(jī)組狀態(tài)，結(jié)合優(yōu)化的數(shù)據(jù)分析處理方法，給出一套風(fēng)電機(jī)組模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析方案。并且以某機(jī)組為例，使用該方法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果表明該方法下待測(cè)頻率的能量峰值突出，能進(jìn)行很好模態(tài)頻率的辨識(shí)。

（作者單位：北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司）