李穎峰，童 博，韓 斌，趙 勇

風(fēng)電機(jī)組剛性塔架共振分析及其控制策略

李穎峰，童 博，韓 斌，趙 勇

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

本文對(duì)風(fēng)電機(jī)組剛性塔架振動(dòng)故障進(jìn)行診斷和治理，基于剛性塔架風(fēng)電機(jī)組的塔架動(dòng)力學(xué)模型，確定了剛性塔架共振判定條件，分析了機(jī)組剛性塔架因陣風(fēng)引起轉(zhuǎn)速超調(diào)導(dǎo)致塔架共振的原因，提出在葉輪轉(zhuǎn)速反饋控制基礎(chǔ)上，建立以功率輸出平穩(wěn)為準(zhǔn)則、以葉輪為風(fēng)速計(jì)的預(yù)估風(fēng)速控制優(yōu)化方法。將該方法用于某2 000 kW風(fēng)電機(jī)組剛性塔架振動(dòng)故障，實(shí)際結(jié)果表明，葉輪轉(zhuǎn)速反饋與預(yù)估風(fēng)速聯(lián)合控制可有效降低陣風(fēng)引起的葉輪轉(zhuǎn)速超調(diào)，避免機(jī)組剛性塔架共振，效果顯著。

風(fēng)電機(jī)組；剛性塔架；塔架共振；陣風(fēng)；轉(zhuǎn)速超調(diào)；預(yù)估風(fēng)速；葉輪轉(zhuǎn)速反饋

現(xiàn)代風(fēng)電機(jī)組為了更好地捕獲風(fēng)能、降低運(yùn)行載荷，普遍采用變速變槳運(yùn)行方式。而葉輪轉(zhuǎn)速范圍大可能導(dǎo)致葉輪旋轉(zhuǎn)頻率與其他部件如葉片、塔架、傳動(dòng)鏈的固有頻率在某轉(zhuǎn)速點(diǎn)重合，從而產(chǎn)生共振。為避免機(jī)組共振，設(shè)計(jì)階段通常進(jìn)行機(jī)組固有特性計(jì)算和引起共振及共振區(qū)域分析[1]。

風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)中，除考慮葉片、塔架、傳動(dòng)鏈固有頻率保持一定間隔外，應(yīng)盡可能避免與外界諧振頻率重合[2]。文獻(xiàn)[3-4]建議葉片固有頻率與葉輪旋轉(zhuǎn)頻率、葉片穿越頻率保持距離，塔架固有頻率、葉輪旋轉(zhuǎn)頻率保持距離。工程實(shí)踐中因塔架一階彎曲頻率較低，與葉輪旋轉(zhuǎn)頻率和葉片穿越頻率更接近，因此塔架共振問(wèn)題尤為突出[5]，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)組振動(dòng)，直接影響機(jī)組安全性。

控制策略上在避免風(fēng)電機(jī)組塔架共振問(wèn)題時(shí)，常采用設(shè)定塔架共振轉(zhuǎn)速區(qū)域[6]，稱(chēng)為轉(zhuǎn)速禁區(qū)（speed exclusion zone, SEZ）。文獻(xiàn)[7]提出避免風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行在該區(qū)域的控制策略。Bossanyi等人提出在共振轉(zhuǎn)速前后10%范圍內(nèi)設(shè)定SEZ[8-10]，設(shè)定轉(zhuǎn)速在該區(qū)域內(nèi)以一定斜率上升（ramped speed reference, RSR）。Schaak等人[11]提出在SEZ范圍內(nèi)根據(jù)葉輪轉(zhuǎn)速設(shè)定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定函數(shù)（torque demanding function, TDF），此函數(shù)確保SEZ為非穩(wěn)定工作區(qū)。Licari等人[12]對(duì)Bossanyi的方法進(jìn)行了基于MATLAB/Simulink的仿真及1.3 kW測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

對(duì)于在役剛性機(jī)組，其風(fēng)況復(fù)雜，強(qiáng)烈頻繁的陣風(fēng)會(huì)引起葉輪轉(zhuǎn)速超調(diào)量大幅上升，葉輪轉(zhuǎn)速進(jìn)入塔架共振帶，引起共振，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警停機(jī)，無(wú)法正常運(yùn)行。在此情況下，無(wú)法使用SEZ方法避免塔架共振，而重新設(shè)計(jì)塔架的代價(jià)巨大。降低額定轉(zhuǎn)速，雖然可以避免塔架共振，但會(huì)增加發(fā)電機(jī)和變流器額定工況下電流，導(dǎo)致效率下降，加大散熱系統(tǒng)工作負(fù)荷，提高發(fā)電機(jī)和變流器運(yùn)行溫度升高，引起報(bào)警停機(jī)。

本文針對(duì)某在役剛性塔架風(fēng)電機(jī)組，建立風(fēng)電機(jī)組塔架動(dòng)力學(xué)模型，分析了塔架共振的條件，在風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速反饋控制的基礎(chǔ)上，增加預(yù)估風(fēng)速，以補(bǔ)償陣風(fēng)對(duì)葉輪轉(zhuǎn)速控制的干擾，達(dá)到抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)的目的，從而避免了塔架的共振。

1 風(fēng)電機(jī)組塔架動(dòng)力學(xué)模型及共振

1.1 塔架動(dòng)力學(xué)模型

風(fēng)電機(jī)組塔架是一種典型的細(xì)長(zhǎng)桿結(jié)構(gòu)，將其簡(jiǎn)化為帶彎曲變形的無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧图匈|(zhì)量單元的組合?？紤]到基礎(chǔ)的剛度和阻尼，塔架模型可以簡(jiǎn)化為如圖1所示的模型[13]。

圖1 塔架基礎(chǔ)簡(jiǎn)化模型

將塔架底部法蘭盤(pán)單獨(dú)分離出來(lái)作為一個(gè)剛體進(jìn)行建模，葉輪-機(jī)艙總成作為一個(gè)集中質(zhì)量；塔架其他部分離散為無(wú)質(zhì)量梁?jiǎn)卧图匈|(zhì)量單元的組合。底部法蘭盤(pán)有2個(gè)自由度，分別為方向平動(dòng)及繞軸方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。塔架基礎(chǔ)簡(jiǎn)化為2個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)，其中一個(gè)為平動(dòng)彈簧阻尼系統(tǒng)，其剛度和阻尼分別為h、h；另一個(gè)為扭轉(zhuǎn)彈簧和扭轉(zhuǎn)阻尼系統(tǒng)，其剛度和阻尼分別t、t。塔架頂部質(zhì)量，包括機(jī)艙、葉輪、發(fā)電機(jī)等塔頂以上部件的質(zhì)量[14]均集中加載到塔架頂部集中質(zhì)量單元上。

1.2 塔架共振

風(fēng)電機(jī)組連續(xù)運(yùn)行在共振范圍附近時(shí)，若機(jī)組不滿(mǎn)足式(1)和式(2)，則應(yīng)進(jìn)行運(yùn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)[4]。

式中，R為正常運(yùn)行范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子的最大旋轉(zhuǎn)頻率，0,n為塔架的第階固有頻率。

由塔架及其基礎(chǔ)簡(jiǎn)化模型可知，實(shí)際機(jī)組位置的地質(zhì)條件差異，會(huì)引起基礎(chǔ)剛度發(fā)生變化，導(dǎo)致塔架一階彎曲固有頻率相對(duì)設(shè)置值漂移。因此，結(jié)合文獻(xiàn)[3]及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將R≥0.901,n作為判定塔架共振的條件，1,n為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值。

2 風(fēng)電機(jī)組預(yù)估風(fēng)速控制

2.1 風(fēng)電機(jī)組基本轉(zhuǎn)速反饋控制

風(fēng)電機(jī)組的主控制器為轉(zhuǎn)速扭矩控制器，其轉(zhuǎn)速反饋控制如圖2[15]所示。由圖2可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速扭矩控制器在額定工況下，追尋葉輪的最優(yōu)p曲線，最大限度捕獲風(fēng)能。在額定工況下，其通過(guò)變槳?jiǎng)幼?，調(diào)整葉輪氣動(dòng)力矩，在不同風(fēng)速下，將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在額定轉(zhuǎn)速附近，實(shí)現(xiàn)限制功率的目的。

圖2 風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速反饋控制

2.2 預(yù)估風(fēng)速控制

為避免葉輪轉(zhuǎn)速超調(diào)量過(guò)大，可以使葉輪轉(zhuǎn)速不進(jìn)入塔架共振帶，從而避免其共振。在控制策略上可以將強(qiáng)陣風(fēng)看作干擾，這樣就可以通過(guò)補(bǔ)償來(lái)抵消這種干擾。而機(jī)組風(fēng)速計(jì)受葉輪尾流干擾，其測(cè)量結(jié)果不可靠且含有變槳系統(tǒng)無(wú)法響應(yīng)的高頻成分，將葉輪轉(zhuǎn)速作為風(fēng)速計(jì)反饋，則可以避免上述問(wèn)題。以輸出功率穩(wěn)定為準(zhǔn)則，轉(zhuǎn)速反饋與預(yù)估風(fēng)速聯(lián)合控制如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)速反饋與預(yù)估風(fēng)速聯(lián)合控制

通過(guò)以下3步構(gòu)建預(yù)估風(fēng)速模塊。

1）氣動(dòng)扭矩重構(gòu)

基于功率守恒，將氣動(dòng)扭矩a重構(gòu)，

2）預(yù)估風(fēng)速

又q取決于葉尖速比，

由式(3)—式(5)可得a和w的隱函數(shù)

3）變槳指令給定

預(yù)估風(fēng)速用于實(shí)現(xiàn)額外的變槳，可以?xún)?yōu)化機(jī)組輸出功率，提高機(jī)組在突然陣風(fēng)下的運(yùn)行品質(zhì)。目標(biāo)變槳值是為保持平穩(wěn)的額定功率。預(yù)估風(fēng)速和葉輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

3 實(shí)例分析

某風(fēng)電場(chǎng)2 000 kW風(fēng)電機(jī)群頻發(fā)塔架加速度報(bào)警停機(jī)故障和葉輪超速停機(jī)故障，經(jīng)檢查振動(dòng)報(bào)警傳感器，排除了機(jī)組誤報(bào)警。經(jīng)過(guò)葉片零位等檢查，排除了機(jī)組控制系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)問(wèn)題?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研得到風(fēng)電場(chǎng)值班記錄記載“風(fēng)速?gòu)?.25 m/s瞬間漲到13.53 m/s”，對(duì)較突出的13號(hào)機(jī)組的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，機(jī)組使用預(yù)估風(fēng)速前的運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖4所示。由圖4a)發(fā)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)值班記錄屬實(shí)，風(fēng)速變化一般在3 s內(nèi)完成，且強(qiáng)烈陣風(fēng)反復(fù)發(fā)生。這對(duì)轉(zhuǎn)速反饋控制干擾很大，必然引起輪轂轉(zhuǎn)速超調(diào)，且與塔架振動(dòng)報(bào)警特征量（塔架水平正交方向加速度矢量和的模）大幅增加和報(bào)警停機(jī)相吻合，懷疑塔架共振。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)塔架模態(tài)測(cè)試，塔架一階彎曲固有頻率0.358 Hz，共振帶下沿設(shè)定為0.322 Hz，對(duì)應(yīng)1P（葉輪旋轉(zhuǎn)頻率）激勵(lì)的輪轂轉(zhuǎn)速為19.332 r/min（圖4b)），機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為18.9 r/min。由此可知，輪轂轉(zhuǎn)速在額定工況附近多次進(jìn)入塔架共振帶，引起塔架共振，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警停機(jī)。由此，采取的治理措施為在額定工況的葉輪轉(zhuǎn)速反饋控制回路的基礎(chǔ)上，增加預(yù)估風(fēng)速模塊，抑制轉(zhuǎn)速超調(diào)，塔架振動(dòng)報(bào)警故障隨之消失。由此排除了其他故障的可能性。預(yù)估風(fēng)速設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)見(jiàn)表1。

表1 預(yù)估風(fēng)速設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)

Tab.1 The design input parameters of the estimated wind speed

4 結(jié) 論

1）對(duì)某型2 000 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔架振動(dòng)故障進(jìn)行分析診斷，在機(jī)組轉(zhuǎn)速反饋控制的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了預(yù)估風(fēng)速控制模型，解決了機(jī)組塔架振動(dòng)故障。

2）分析該2 000 kW剛性塔架風(fēng)電機(jī)組表明，強(qiáng)烈反復(fù)的陣風(fēng)引起機(jī)組轉(zhuǎn)速超調(diào)變大，使轉(zhuǎn)速連續(xù)停留在共振帶中，是導(dǎo)致塔架共振，引發(fā)振動(dòng)故障的主要原因。

3）預(yù)估風(fēng)速與葉輪轉(zhuǎn)速反饋聯(lián)合控制，可有效減小陣風(fēng)對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)速反饋控制的干擾，降低轉(zhuǎn)速超調(diào)量，避免塔架共振的發(fā)生。

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Resonance analysis and control strategy for wind turbine with rigid tower

LI Yingfeng, TONG Bo, HAN Bin, ZHAO Yong

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In this paper, the vibration fault of rigid tower of wind turbine is diagnosed and treated. On the basis of dynamic model of the rigid tower of wind turbine, the conditions for judging the resonance of the rigid tower are determined, the reasons of the tower resonance caused by overshoot of rotating speed induced by gust are analyzed, and an optimization method for predicting the wind speed control is put forward, which takes the stable power output as the aim and rotor as a ‘a(chǎn)nemometer’, on the basis of feedback control of rotation speed of the impeller. Moreover, this method is applied to analyze the vibration fault of a rigid tower of a 2 000 kW wind turbine, and the results show that, the combined control of impeller speed feedback and estimated wind speed can effectively reduce the overshoot of impeller speed caused by gust, avoid the resonance of rigid tower of the unit, and the effect is remarkable.

wind turbine unit, rigid tower, tower resonance, gust, speed overshoot, estimated wind speed, rotor speed feedback

TK83

B

10.19666/j.rlfd.201904081

李穎峰, 童博, 韓斌, 等. 風(fēng)電機(jī)組剛性塔架共振分析及其控制策略[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(7): 122-125. LI Yingfeng, TONG Bo, HAN Bin, et al. Resonance analysis and control strategy for wind turbine with rigid tower[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 122-125.

2019-04-13

西安熱工研究院有限公司科技項(xiàng)目(TM-19-TYK01)

Supported by：Science and Technology Project of Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (TM-19-TYK01)

李穎峰(1979—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)分析、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷等，liyingfeng@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 杜亞勤）