王瀟 潘特 錢赫

摘 要：阻尼比是風(fēng)電機(jī)組振動分析計算的重要輸入量，其準(zhǔn)確度會對風(fēng)電機(jī)組振動分析結(jié)果造成影響。本文基于半功率帶寬法開展柔塔式風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比現(xiàn)場測量，并選取合理的窗口長度，提高柔塔式風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比的準(zhǔn)確度。由于現(xiàn)場測試樣本數(shù)有限，故按照t分布方法對阻尼比處理，置信水平選取95%，經(jīng)統(tǒng)計分析可得：柔塔式風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比置信區(qū)間為[0.440%， 0.624%]，并依據(jù)置信下限的阻尼比結(jié)果開展后續(xù)的振動分析計算。研究結(jié)果可為同類工程問題提供參考依據(jù)和應(yīng)用指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：柔塔式風(fēng)電機(jī)組;二階阻尼比;半功率帶寬法;t分布;置信區(qū)間

中圖分類號：TK83? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

近年來陸上風(fēng)電的發(fā)展趨勢從高風(fēng)速區(qū)向低風(fēng)速區(qū)轉(zhuǎn)變，柔塔式風(fēng)電機(jī)組被大量采用，隨之而來的振動問題層出不窮。阻尼比是此類風(fēng)電機(jī)組振動分析計算重要的輸入量，它的準(zhǔn)確度將直接影響振動分析的計算結(jié)果，因此準(zhǔn)確的阻尼比對風(fēng)電機(jī)組的載荷計算和成本控制有著重大的意義。應(yīng)懷樵等[1]提出一種INV阻尼計法，通過頻率細(xì)化提高阻尼比計算精度。蔡繼峰等[2]利用實測數(shù)據(jù)為仿真計算選取合適的阻尼比。郝二通等[3]通過有限元分析方法計算風(fēng)電機(jī)組混合塔架一階阻尼比，并驗證了該方法的正確性。目前，大部分研究都集中于阻尼比計算方法的改進(jìn)和創(chuàng)新，無具體的柔塔式風(fēng)電機(jī)組的工程測試和計算案例。

本文基于半功率帶寬法，在140米柔塔上開展二階阻尼比測試，通過選取合適的窗口長度，提高阻尼比計算的準(zhǔn)確度;同時，由于現(xiàn)場測試的樣本數(shù)有限，利用t分布方法，計算置信水平為95%時柔塔式風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比的置信區(qū)間，并以置信下限的阻尼比結(jié)果作為后續(xù)振動分析計算的輸入量。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 自由衰減法

單自由度系統(tǒng)的位移自由衰減曲線如圖1所示，每隔半個周期的幅值比為一常量，即為衰減系數(shù)，其對數(shù)衰減率可表示：

其中，是阻尼比。

自由衰減法適用于風(fēng)電機(jī)組塔架的一階阻尼比測試。

1.2 半功率帶寬法

半功率帶寬法是通過對結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)的頻譜曲線或功率譜曲線進(jìn)行分析計算阻尼比。當(dāng)頻譜曲線中幅值下降到共振峰值Hm的時，其對應(yīng)的頻率為f1和f2;此時在功率譜曲線中，f1和f2處的功率剛好是最大功率的一半，所以稱為半功率帶寬法，其阻尼比計算公式如下：

本文是基于半功率帶寬法開展風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比的現(xiàn)場測試工作。

2 現(xiàn)場測試

2.1 風(fēng)電機(jī)組參數(shù)

本次測試是在某風(fēng)場140米柔塔式風(fēng)電機(jī)組上開展，該機(jī)組的主要參數(shù)：1）機(jī)組型為WD147-2500-H140;2）塔架高度為140米;3）葉輪高度為147米;4）二階固有頻率為1.16Hz。

2.2 傳感器參數(shù)

現(xiàn)場測試時使用加速度傳感器，其具體參數(shù)如下：測量范圍小于20m/s2、參考靈敏度為10.47mv/g、頻率范圍為0-150Hz、激勵電壓8-16Vdc。

本次測試搭配加速度傳感器使用的是東華測試公司的DH5902型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.3 現(xiàn)場測試情況

依據(jù)仿真計算結(jié)果，在第四節(jié)塔筒頂端的阻尼器安裝平臺布置加速度傳感器開展二階阻尼測試。通過數(shù)螺栓個數(shù)的方法保證兩個加速度傳感器的安裝方向盡量垂直。這里選用兩個傳感器是為了更好地捕捉風(fēng)向變化造成的二階振動信號的變化。

測試現(xiàn)場具體的安裝位置如圖1所示，其中1號測點(diǎn)的位置正對爬梯，2號測點(diǎn)在其右側(cè)90°方向。

3 阻尼比計算與分析

3.1 中心頻率判定

通過對現(xiàn)場測試信號進(jìn)行頻域分析，傳感器1的中心頻率為1.154Hz，傳感器2的中心頻率為1.203Hz，由2.1節(jié)可知，二階固有頻率為1.16Hz，故選擇傳感器1的信號開展功率譜計算。其他加速度信號判定使用相同方法。

在加速度信號中心頻率處開展帶通濾波處理，設(shè)計帶寬為0.22Hz。

3.2 窗口長度選取

對濾波后時域信號進(jìn)行功率譜計算，選用漢寧窗，重疊率50，但是研究發(fā)現(xiàn)窗口的長度對信號處理結(jié)果有較大影響。

實測二階頻率為1.154Hz，因此窗口長度取周期的整數(shù)倍，即0.866s的整數(shù)倍，由于采樣頻率200Hz，因此窗口長度取173的整數(shù)倍。這里選擇1-200倍，得到二階頻率和阻尼比隨倍數(shù)變化的趨勢，如圖2所示。

當(dāng)窗口倍數(shù)大于100倍，二階頻率和阻尼比都趨于平穩(wěn)，所以合適的窗口長度對阻尼比計算準(zhǔn)確度至關(guān)重要。其他加速度信號均采用相同方法選取合適窗口長度。

3.3 阻尼比計算

依據(jù)上面的流程對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行阻尼比計算分析，得到如下結(jié)果。

3.4 t分布統(tǒng)計

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，阻尼比通常符合對數(shù)正態(tài)分布，又現(xiàn)場測試樣本較小，故按照t分布方法處理。

通過對表2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到置信水平為95%，阻尼比置信區(qū)間為[0.440%， 0.624%]，并選取置信下限的阻尼比結(jié)果開展后續(xù)振動分析計算。

4 結(jié)論

依據(jù)上面對某風(fēng)場柔塔式風(fēng)電機(jī)組二階阻尼比現(xiàn)場測量研究，可以得到以下結(jié)論。

（1）現(xiàn)場實際測量時需布置兩個垂直方向的加速度傳感器，以應(yīng)對風(fēng)向變化造成的二階激勵方向的變化;并可依據(jù)仿真設(shè)計的二階固有頻率選擇使用哪一測點(diǎn)信號作為最終分析信號。

（2）在功率譜計算過程中，窗口長度的選擇對阻尼比計算精度的影響較大，需通過不同倍數(shù)窗口長度的計算研究，決定最終合適的窗口長度。

（3）由于現(xiàn)場測試樣本有限，故現(xiàn)場阻尼比需通過t分布處理，得相應(yīng)置信水平下得置信區(qū)間，并以置信下限作為后續(xù)振動分析的輸入量。

參考文獻(xiàn)：

[1] 應(yīng)懷樵，劉進(jìn)明，沈松. 半功率帶寬法與INV阻尼計法求阻尼比的研究[J].噪聲與振動控制，2006（02）：4-6.

[2] 蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，等. 風(fēng)電機(jī)組仿真塔架阻尼比的選取研究[J].風(fēng)能，2013（11）：119-120.

[3] 郝二通，李祎，胡玉龍. 風(fēng)電機(jī)組混合塔架結(jié)構(gòu)阻尼比的研究[J].可再生能源，2018，036（011）：1704-1710.

作者簡介：王瀟（1987-），男，江蘇省泰興人，碩士，主要研究方向：風(fēng)電機(jī)組聲學(xué)與振動分析研究。