文 | 楊衎

兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工作環(huán)境十分惡劣，隨著單機(jī)容量的提高，塔架與葉片的設(shè)計(jì)尺寸、柔性均會(huì)增加，受空氣動(dòng)力載荷、自重、離心力、不平衡激勵(lì)等作用，風(fēng)電機(jī)組將會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。在風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)盡可能獲得更寬的共振窗口頻帶。目前關(guān)于大兆瓦機(jī)組振動(dòng)的理論研究比較充分，主要表現(xiàn)為系統(tǒng)模型的建立、改進(jìn)，并且在諸如葉片等部件上進(jìn)行了模型深化研究。而在風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行階段，需對(duì)各種可能造成風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)加速度超限故障的問(wèn)題進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)判斷，同時(shí)對(duì)機(jī)組振動(dòng)故障造成停機(jī)的分析處理應(yīng)盡可能及時(shí)，采取必要手段排除傳感設(shè)備以及主要機(jī)械部件異常后，還需對(duì)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的復(fù)核分析，以便為該故障的分析與排除提供必要的幫助。

風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障分析

由于風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行的環(huán)境通常比較惡劣、變化多樣以及風(fēng)電機(jī)組自身機(jī)械結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，風(fēng)電機(jī)組所受外力以及振動(dòng)自由度相對(duì)于其他大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械隨機(jī)性要多，而且風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)的設(shè)計(jì)也關(guān)乎其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通常風(fēng)電機(jī)組應(yīng)按照現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行系統(tǒng)、完整的設(shè)計(jì)，特別是經(jīng)過(guò)第三方型式認(rèn)證樣機(jī)實(shí)驗(yàn)調(diào)整后應(yīng)形成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，但是由于風(fēng)電機(jī)組整體由基礎(chǔ)、塔筒、機(jī)艙、風(fēng)輪等各個(gè)部件組成，其制造與安裝對(duì)于具體項(xiàng)目可能存在差異，在工程實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)由于安裝和運(yùn)行處于非設(shè)計(jì)狀態(tài)（比如彈性支承設(shè)置不合理、螺栓預(yù)緊力矩不足、傳動(dòng)軸系對(duì)中偏差較大等）而出現(xiàn)振動(dòng)過(guò)大的情況，因此在分析現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)系統(tǒng)故障問(wèn)題時(shí)，還需必要的手段對(duì)振動(dòng)誘因進(jìn)行全面分析，以便找到故障誘因，高效地排除故障，保證設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

某風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組振動(dòng)實(shí)測(cè)分析

某風(fēng)電場(chǎng)安裝1500kW-77雙饋風(fēng)電機(jī)組（某風(fēng)電機(jī)組供應(yīng)商為適應(yīng)沿海區(qū)域開(kāi)發(fā)的新機(jī)型）33臺(tái)，總裝機(jī)容量4.95萬(wàn)千瓦。該機(jī)型輪轂中心高度75m，三段圓錐形塔架，剛性混凝土承臺(tái)PHC樁基礎(chǔ)。該風(fēng)電場(chǎng)在安裝調(diào)試試運(yùn)行時(shí)，常在10m/s風(fēng)速左右的變速區(qū)域（機(jī)組額定風(fēng)速11.3m/s）出現(xiàn)振動(dòng)保護(hù)停機(jī)（某方向耦合加速度大于2m/s2）。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)電氣檢查發(fā)電機(jī)部分、傳動(dòng)鏈部分、偏航系統(tǒng)部分、PHC傳感設(shè)備硬件、電氣控制部分無(wú)異常，對(duì)發(fā)電機(jī)與齒輪箱進(jìn)行再次對(duì)中后效果仍然不明顯。復(fù)核施工記錄，設(shè)備基礎(chǔ)施工與安裝工藝均正常。鑒于該機(jī)組未安裝振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，遂就地采集固定于機(jī)架后部的風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)控裝置PCH1026（機(jī)組標(biāo)配，其振動(dòng)信號(hào)為風(fēng)電機(jī)組安全鏈系統(tǒng)串聯(lián)信號(hào)之一，具體布置見(jiàn)圖1、裝置示意圖見(jiàn)圖2）運(yùn)行數(shù)據(jù)，擬采用離散傅里葉變換分析其振動(dòng)頻譜分量。該裝置將檢測(cè)的振動(dòng)加速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬量，再通過(guò)CAN通信方式傳輸至機(jī)組PLC中央控制器。根據(jù)該裝置使用說(shuō)明手冊(cè)，其濾波器旁通“By-pass”默認(rèn)頻響范圍為0.03～ 100Hz。

圖1 振動(dòng)監(jiān)測(cè)裝置PCH1026在風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙中的布置

圖2 固定于機(jī)架尾部的PCH1026

為了盡可能準(zhǔn)確獲得設(shè)備運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況，現(xiàn)場(chǎng)以100Hz頻率對(duì)故障率較高的三臺(tái)機(jī)組（后分別定義為A、B、C）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，持續(xù)時(shí)間約為5min。為分析原始數(shù)據(jù)頻譜成分，擬考慮以傅里葉變換獲得頻率影響的成分。

傅立葉變換是一種分析信號(hào)的方法，它可分析信號(hào)的成分，將時(shí)域信號(hào)變換為頻域信號(hào)，如此就可以在時(shí)域信號(hào)的基礎(chǔ)上分析該段信號(hào)的頻域特征。通常利用三角函數(shù)作為傅立葉變換分析信號(hào)的成分。計(jì)算方程如下：

式中，F(xiàn)（ω）為f（t）的像函數(shù)， f（t）叫做F（ω）的像原函數(shù)；F（ω）是f（t）的像，f（t）是F（ω）原像。

針對(duì)采集數(shù)據(jù)即為式中f（t），本文通過(guò)快速離散傅里葉變換的方法在MATLAB環(huán)境下對(duì)所取信號(hào)進(jìn)行頻域成分分析。

一、PCH振動(dòng)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)快速離散傅里葉變換的方法對(duì)A、B、C三臺(tái)機(jī)組所采集PCH振動(dòng)三向傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行處理（期間風(fēng)輪轉(zhuǎn)速約12～16rpm），獲得結(jié)果如表1以及A、B、C機(jī)組數(shù)據(jù)頻域圖（圖3-A、圖3-B、圖3-C）所示。

圖3-A A機(jī)組頻域分析圖

圖3-B B機(jī)組頻域分析圖

圖3-C C機(jī)組頻域分析圖

由表1與數(shù)據(jù)處理后綜合分析圖3可看出，盡管A機(jī)組相對(duì)其他機(jī)組有些差異，但趨勢(shì)基本一致。即前后振動(dòng)加速度較大的頻率分量主要位于0.39Hz左右，此為塔架一階固有頻率；左右振動(dòng)加速度較大的頻率分量主要位于0.86Hz左右，接近塔架二階固有頻率；上下振動(dòng)加速度較大的頻率分量主要位于30Hz左右相對(duì)較高的區(qū)域。由此可判斷風(fēng)電機(jī)組變速區(qū)域運(yùn)行存在與塔架固有頻率耦合的情況，其中塔架固有頻率低頻成分的存在間或引起系統(tǒng)共振，造成振動(dòng)數(shù)值較大進(jìn)而導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)保護(hù)性停機(jī)。

二、轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)據(jù)分析

在前述分析的基礎(chǔ)上結(jié)合采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速不變的情況下，實(shí)時(shí)勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩隨著風(fēng)速變化，而且轉(zhuǎn)矩變化過(guò)程中，振動(dòng)值（適當(dāng)考慮轉(zhuǎn)矩變化反應(yīng)到振動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間）也隨著風(fēng)速變化而變化（圖4-A、圖4-B、圖4-C）。從圖中標(biāo)注位置可以看出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)時(shí)振動(dòng)值出現(xiàn)比較明顯的跟隨波動(dòng)，可能是振動(dòng)保護(hù)的誘因。遂檢查三臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁、發(fā)電機(jī)地腳連接緊固以及發(fā)電機(jī)變頻勵(lì)磁回路電氣，發(fā)現(xiàn)均無(wú)缺陷，而且設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)矩與控制給定實(shí)際勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩的跟隨誤差也合理。

在進(jìn)行發(fā)電機(jī)與齒輪箱對(duì)中過(guò)程中，進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)地腳彈性支承左右方向的調(diào)整螺栓與發(fā)電機(jī)本體未完全分離到位，存在剛性連接，很可能由于彈性支承起不到阻尼作用，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩調(diào)制的脈動(dòng)引起的振動(dòng)直接傳遞到機(jī)架上，對(duì)塔架等構(gòu)件施加激勵(lì)。在對(duì)風(fēng)電機(jī)組重新進(jìn)行發(fā)電機(jī)與齒輪箱對(duì)中后，使調(diào)整螺栓與發(fā)電機(jī)本體分離，運(yùn)行故障明顯減少。

綜合分析認(rèn)為，由于發(fā)電機(jī)彈性支承未處于設(shè)計(jì)工作狀態(tài)，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈沖調(diào)制引起波動(dòng)后，機(jī)組系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)很可能引起相關(guān)部分間斷諧振，造成振動(dòng)保護(hù)停機(jī)。關(guān)于地腳螺栓與發(fā)電機(jī)剛性連接情況下與系統(tǒng)響應(yīng)的關(guān)系未再次采集數(shù)據(jù)對(duì)比分析，對(duì)系統(tǒng)的量化響應(yīng)影響有待進(jìn)一步考究。

表1 PCH數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計(jì)表

圖4-A A機(jī)組某時(shí)段振動(dòng)隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

圖4-B B機(jī)組某時(shí)段振動(dòng)隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

圖4-C C機(jī)組某時(shí)段振動(dòng)隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

結(jié)論

本文采用傅里葉分析方法分析了風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)下振動(dòng)數(shù)據(jù)的成分，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況分析了地腳調(diào)整螺栓非設(shè)計(jì)狀態(tài)振動(dòng)故障的誘因，為類(lèi)似風(fēng)電機(jī)組振動(dòng)故障提供了必要的參考與建議：

風(fēng)電機(jī)組調(diào)試運(yùn)行時(shí)，結(jié)合運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析，有利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)故障處理。同時(shí)本次實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，盡管塔架設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮避開(kāi)塔架固有頻率，但是塔架一階、二階振動(dòng)頻率成分仍然是主要組成部分，很有可能在非正常情況下造成振動(dòng)保護(hù)性停機(jī)。

雙饋發(fā)電機(jī)組對(duì)中以及地腳彈性支承的工作狀態(tài)十分重要，不論在設(shè)備調(diào)試階段還是商業(yè)運(yùn)營(yíng)階段，均應(yīng)根據(jù)其設(shè)備供應(yīng)商推薦服役年限與工作狀態(tài)進(jìn)行定期的年檢維護(hù)，結(jié)合SCADA數(shù)據(jù)分析不同安裝位置使用狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)激勵(lì)的影響，避免不必要的故障造成風(fēng)電機(jī)組可利用率損失。