王博特，王宇楠，鄭 濤，占曉明，畢繼鑫

（1.浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，杭州310014；2.福建水力水電勘測設計研究院，福州350000）

近年來國內海上風電發(fā)展迅速，風電機組容量的提升能夠有效提高風能利用率和施工效率以及降低后期運維成本。在機組容量和體型逐漸增大的同時，風電機組的安全成為風電領域內研究的重點[1–4]。江蘇某海上風電場安裝了多臺6.45 MW 機組，此類型機組是目前國內廠家生產(chǎn)新型大容量機組之一，此機組塔筒高度為110 m，葉輪直徑達到171 m。國外GE 公司生產(chǎn)的12 MW 風機單支葉片更是長達107 m[5]。機組容量增大的同時葉片也在不斷增大。

風電機組葉片成本約占風電機組總成本的15%～20%[6]，風電機組葉片在風電機組運行過程中受風力作用而產(chǎn)生較大的彈性形變，故通常選用質量較輕、強度較大、耐腐蝕、抗疲勞的材料來制作風電機組葉片[7–8]。此外，由于結冰或者風力和風向的突變導致葉片振動過大，從而超過設計載荷發(fā)生斷裂或者掃塔的現(xiàn)象也時有發(fā)生[9–11]，而振動檢測是葉片故障識別的常用方法之一[12–15]，所以研究大型風電機組的葉片振動情況，對于葉片安全檢測和監(jiān)測具有重要的意義，研究結果也可對風電機組的控制策略優(yōu)化提供重要指導作用。

本文對一臺架設完成并投入運營的6.45 MW風電機組進行了葉片振動測試，并且同步采集到同時刻風電機組運行的工況數(shù)據(jù)。通過對振動和工況數(shù)據(jù)的詳細分析發(fā)現(xiàn)：擺振方向的振動強度比揮舞方向振動強度大，是揮舞方向振動強度的1.3 倍左右；葉片振動的頻率集中點在揮舞和擺振方向有所不同，葉片擺振方向的振動頻率主要集中在葉片2 階固有頻率位置，揮舞方向的振動主要頻率是風電機組轉速的倍頻；此外，葉片的振動強度與風電機組所處環(huán)境的風速、風電機組自身的轉速和功率有著一定的正相關趨勢。

1 風電機組葉片振動測試情況

本次測試選擇風場內新型的6.45 MW 風電機組，在每支葉片中布置一個雙向振動加速度傳感器，傳感器的兩個方向分別與葉片揮舞和擺振方向重合，從而實現(xiàn)每支葉片兩個方向的振動數(shù)據(jù)檢測，為了施工方便，將傳感器布置在盡量靠近葉尖但是人工操作方便的位置，振動數(shù)據(jù)采集設備安裝在風電機組輪轂內，風電機組的工況數(shù)據(jù)由風電機組主控系統(tǒng)提供，通過無線網(wǎng)橋傳輸至風電機組輪轂內與振動數(shù)據(jù)同步被采集。傳感器布線如圖1所示。

圖1 葉片內部振動傳感器布線圖

振動傳感器電纜在葉片轉動時若發(fā)生劇烈擺動，一方面可能致使線纜拉斷，另一方面影響振動傳感器的測試信號，故需要把傳感器電源線和通訊線使用結構膠固定在葉片內表面，同時為了防止完全粘貼在葉片內表面的線纜由于葉片運動過程中形變較大而被拉斷，需要對線纜進行彎折走線布置。

數(shù)據(jù)測試從2020年3月12日開始至2020年3月18日截止，總測試時間長度將近1周，因為葉片為長柔結構，固有頻率較低，所以設置本次數(shù)據(jù)采集的采樣頻率為50 Hz。此時間段數(shù)據(jù)涵蓋了風電機組從啟機到滿發(fā)全部工況。為了減少偶然因素對數(shù)據(jù)造成的干擾，取每30 s 數(shù)據(jù)的平均值繪制風電機組工況數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 測試時間段內風電機組工況數(shù)據(jù)

從圖2中可以看出此臺風電機組啟機風速大概為4 m/s，滿發(fā)風速大概為10.6 m/s，啟機轉速大概為7.5 r/min，滿發(fā)轉速大概為10.6 r/min。風電機組滿發(fā)功率接近6 700 kW。

另外葉片固有頻率仿真值如表1所示。

表1 葉片固有頻率仿真值/Hz

2 葉片振動基本情況分析

2.1 振動加速度原始數(shù)據(jù)情況

振動測試傳感器一般都是慣性傳感器，受到重力的影響，葉片旋轉時，會產(chǎn)生較大的正弦干擾信號，這種信號周期穩(wěn)定，周期為葉片旋轉周期。選擇風電機組滿發(fā)、運行平穩(wěn)時1 號葉片的振動數(shù)據(jù)原始值繪制振動波形圖，為了展示出采集到的信號的實際情況，只截取前1 min 時長的數(shù)據(jù)進行展示，如圖3所示。

圖3 葉片1揮舞和擺振方向振動信號原始值

從圖3中可以看出所選時間段內葉片兩個方向的振動信號原始值都趨于標準正弦信號，擺振方向受慣性影響更大，擺振方向振動有效值達到0.203 g，揮舞方向振動有效值為0.102 g，擺振方向振動強度將近是揮舞方向振動強度的2倍。主要原因是葉片滿發(fā)時處于完全開槳狀態(tài)，葉片擺振方向與葉片旋轉方向高度重合，葉片每旋轉一周產(chǎn)生的離心力和重力都會致使慣性加速度傳感器的質量塊產(chǎn)生較大的加速度，而此時葉片揮舞方向與葉片旋轉方向接近垂直，所以加速度計信號受離心力和重力的影響較小。

對原始信號進行頻譜分析，可以看出原始信號的主要頻率是葉片的旋轉頻率，比如當葉片旋轉頻率為10.67 r/min 即0.178 轉/秒時，原始信號的頻譜圖揮舞方向和擺振方向的主頻值都為0.178 Hz，頻譜圖如圖4所示。

圖4 葉片1原始信號頻譜圖

2.2 經(jīng)處理后振動加速度數(shù)據(jù)

2.2.1 振動時域分析

由于此風力發(fā)電機葉片旋轉頻率最大不超過11 r/min，即0.18 Hz，而葉片1 階設計固有頻率一般不會低于0.4 Hz。為了識別有效的葉片振動信號，對原始數(shù)據(jù)進行低截止頻率為0.3 Hz的高通濾波處理，濾波器選用Butterworth數(shù)字濾波器，濾波階數(shù)為6階。

以1號葉片的振動情況為例觀察經(jīng)濾波后的數(shù)據(jù)，振動波形圖如圖5所示。

圖5 濾波后葉片1振動信號時程圖

可以看出濾波后葉片兩個方向振動信號不再是標準正弦波形式，振動強度比較接近，擺振方向的振動強度較大，是揮舞方向的1.3倍。

為了方便展示，對于濾波后振動數(shù)據(jù)每30 s 求一個有效值，所有振動數(shù)據(jù)的整體情況如圖6所示。

圖6 每支葉片所有振動數(shù)據(jù)30 s有效值時程圖

從圖6 可以看出3 支葉片揮舞和擺振方向的振動趨勢完全一致，統(tǒng)計各葉片兩個方向振動的30 s有效值的平均值如表2所示。

表2 葉片振動30 s有效值的平均值統(tǒng)計表

從表2 可以看出3 支葉片相互之間同一方向的振動強度區(qū)別不大，擺振方向的振動強度均比揮舞方向振動強度稍大，大概比揮舞方向振動強度大30%。這可能是旋轉時重力在葉片擺振方向的作用更加強烈所造成的結果，葉片的重力在葉片旋轉至豎直狀態(tài)時忽然改變作用方向，引起葉片擺振方向的振蕩；也可能是葉片旋轉時某些空氣動力學因素所造成的結果；這方面還有待進一步的研究。

2.2.2 振動頻域分析

風電機組滿發(fā)時，通過對濾波后信號進行頻譜分析，可以得到如圖7至圖9所示的頻譜圖。

圖7 濾波后葉片1振動信號頻譜圖

圖8 濾波后葉片2振動信號頻譜圖

圖9 濾波后葉片3振動信號頻譜圖

測試數(shù)據(jù)中葉片振動的主要頻率比較明顯，統(tǒng)計3支葉片兩個方向的振動主要頻率值如表3所示。

表3 風電機組3支葉片振動主要頻率值

從表3 可以看出3 支葉片揮舞方向的振動頻率主要是0.36 Hz、0.71 Hz、0.89 Hz 等，分別接近此時葉片轉頻的2 倍頻率、4 倍頻率和5 倍頻率。另外1.42 Hz和1.24 Hz處頻率不集中，受噪聲影響較大，較為接近揮舞方向的2階固有頻率。所以在風電機組滿發(fā)時揮舞方向振動主要表現(xiàn)為葉片轉頻的倍頻和揮舞2階固有頻率。

擺振方向振動頻率中較為一致頻率分別是0.71 Hz、1.34 Hz 和1.93 Hz，分別接近葉片擺振方向1 階固有頻率、揮舞方向2階固有頻率和擺振方向的2階固有頻率。

無論是揮舞方向還是擺振方向，頻率0.71 Hz都比較突出，此頻率比擺振方向1 階固有頻率仿真值大4.7%，同時此頻率與葉片轉頻的4 倍頻0.711 Hz非常接近。

從以上分析可以看出，風電機組滿發(fā)時葉片兩個方向振動的2 階固有頻率都比較突出，另外葉片轉動轉頻的倍頻也在振動信號中比較常見。風電機組轉頻對于葉片振動的影響較大，為了解低轉速時風電機組轉頻對于葉片振動的影響，繪制低轉速時1號葉片振動的頻譜圖如圖10所示。

從圖10 可以看出風電機組轉速在7.48 r/min時，葉片振動的主要頻率值與滿發(fā)時有所不同，擺振方向主要頻率值是1.927 Hz，接近擺振方向的2階固有頻率。揮舞方向的主頻值分別為0.375 Hz 和0.5 Hz，分別是葉片轉頻的3倍頻和4倍頻。

圖10 低轉速時1號葉片振動頻譜圖

通過風電機組葉片振動的頻譜分析可以看出風電機組在滿發(fā)時或者低轉速時，葉片擺振方向振動主要集中在葉片2 階振動頻率處，而揮舞方向的振動頻率都表現(xiàn)為較明顯的轉頻倍頻。另外風電機組滿發(fā)時葉片兩個方向受0.71 Hz 的主頻值影響都較大，此頻率接近風電機組轉頻的4倍頻。

3 葉片振動的相關因素分析

與葉片振動相關的因素較多[10–11]，最主要有外部驅動因素—風速，其次是自身的轉速和功率。因為3支葉片振動趨勢基本一致，本節(jié)以1號葉片的振動情況為例進行展示，為了研究葉片振動強度與這些因素的關系，一方面繪制30 s 振動有效值與這些工況數(shù)據(jù)30 s 均值之間的散點圖，同時對工況數(shù)據(jù)30 s均值進行分段，風速每0.5 m/s為一個倉段，風速跨度為3.5 m/s～18 m/s；轉速每0.25 r/min為一個倉段，轉速跨度為7 r/min～10.7 r/min；功率每250 kW為一個倉段，功率跨度為0～6 700 kW。再對每個倉段的所有振動有效值數(shù)據(jù)求平均值，作為這個倉段振動水平的表征值，繪制這些數(shù)據(jù)隨著工況數(shù)據(jù)變化的趨勢曲線，具體如圖11至圖13所示。

圖13 振動強度隨功率變化的散點圖和趨勢圖

從圖11 可以看出此臺風電機組葉片的振動強度隨風速變化較為明顯，風速在3.5 m/s～18 m/s 變化過程中，葉片振動強度幾乎呈現(xiàn)直線增長，揮舞方向振動水平的表征值也從0.003 74 g 增長到0.010 4 g，增長了2.8 倍。擺振方向振動水平的表征值從0.004 9 g增長到0.014 g，大約增長了2.9倍。

圖11 振動強度隨風速變化的散點圖和趨勢圖

從圖12 可以看出此風電機組葉片的振動強度隨著轉速變化也呈現(xiàn)明顯的增長趨勢，在轉速為9.25 r/min時揮舞方向的振動達到一個極大值，轉速為9 r/min 時擺振方向的振動達到一個極大值，此后振動強度開始下降，當轉速上升至9.5 r/min時，擺振方向達到振動極小值，當轉速上升至10 r/min時，揮舞方向達到振動極小值，然后振動強度又開始上升。從圖12 可以看出轉速在9 r/min 左右風電機組存在跳轉速的過程，風電機組振動達到極值可能與風電機組控制策略相關，風電機組滿發(fā)時振動強度也達到最大值，因為最后一個轉速倉段數(shù)據(jù)較少，所以最后一個倉段的振動數(shù)據(jù)忽然升高的情況可以忽略不計。統(tǒng)計隨轉速變化風電機組葉片的振動強度的極值和最值如表4所示。

圖12 振動強度隨轉速變化的散點圖和趨勢圖

從表4可以看出葉片振動強度隨著轉速增大并非穩(wěn)定上升，振動強度出現(xiàn)極值點的原因可能是由風電機組在9 r/min～10 r/min 區(qū)間內運行的數(shù)據(jù)較少導致，也可能是由風電機組在9 r/min左右跳轉速導致。風電機組轉速最大時振動強度是轉速最小時振動強度的2.3倍左右。

表4 振動強度隨轉速變化的極值點

從圖13可以看出風電機組功率在0～2 500 kW之間時，葉片振動的強度增加較快，葉片揮舞方向振動增加了1.71 倍，葉片擺振方向的振動增加了1.65倍。當功率在2 500 kW～6 700 kW 之間變化時，葉片振動強度增加相對較慢，葉片揮舞方向增加了1.5倍，葉片擺振方向增加了1.5倍。振動強度隨功率增加趨于穩(wěn)定。

4 結語

本文針對一臺新型大容量的風電機組葉片進行了振動測試和分析，通過使用Butterworth 數(shù)字濾波器和傅里葉變換等信號分析手段，對葉片的振動強度、振動頻譜以及振動的相關因素進行了分析。本文的分析有助于學者了解目前國內大容量風電機組葉片的實際振動情況，及時優(yōu)化葉片轉動的控制策略，豐富風電機組葉片相關的研究資料。

通過本文的研究可以得出以下幾個主要結論：

（1）由于振動傳感器一般為慣性傳感器，在旋轉的大型機構上測量時會引入較為強烈的轉頻干擾，本文所研究的葉片轉動時的振動信號中就出現(xiàn)了大量的轉頻干擾信息，為了有效分析信號需要進行高通濾波，濾波截止頻率需要高于葉片轉頻。

（2）通過統(tǒng)計所有振動數(shù)據(jù)30 s 平均值，可以看出3 支葉片兩個方向的振動趨勢完全一致，但是擺振方向的振動強度都高于揮舞方向的振動強度，大概比揮舞方向高30%，可能是葉片旋轉過程中重力作用方向在葉片旋轉至豎直狀態(tài)時忽然改變導致葉片產(chǎn)生較大強度的振蕩，也可能是由其他空氣動力學因素造成的。

（3）大型風電機組運行時葉片擺振方向振動主要集中在2 階固有頻率處，揮舞方向振動頻率主要是葉片轉頻的倍頻。由于傳感器安裝角度原因，在風電機組滿發(fā)時常能看到揮舞方向的2 階固有頻率。同時轉速較快時無論揮舞方向還是擺振方向葉片轉頻的4倍頻對于葉片振動影響都較大。

（4）葉片振動強度與風速呈現(xiàn)出正相關關系，風速越大，葉片振動強度越大，在大風速條件下（18 m/s 左右）葉片振動強度是小風速時（3 m/s）振動強度的2.8倍左右。

（5）此類風電機組葉片振動強度與風電機組轉速關系也較為密切，隨著轉速增加振動強度有增大趨勢，風電機組轉速最大時振動強度是轉速最小時振動強度的2.3 倍左右。振動強度隨著轉速變化過程中存在極值點，可能與風電機組跳轉速的控制策略有關。

（6）葉片振動強度與功率關系也較為密切，在功率小于2 500 kW時，葉片振動強度隨功率增加較快；大于2 500 kW時，振動強度增長速率變緩，葉片振動趨于平穩(wěn)。在功率最大時葉片振動強度是功率最小時振動強度的2.5倍左右。