某風電場機組振動故障實測分析

文 | 楊衎

兆瓦級風電機組運行工作環(huán)境十分惡劣，隨著單機容量的提高，塔架與葉片的設計尺寸、柔性均會增加，受空氣動力載荷、自重、離心力、不平衡激勵等作用，風電機組將會產(chǎn)生振動。在風電機組設計時盡可能獲得更寬的共振窗口頻帶。目前關于大兆瓦機組振動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，并且在諸如葉片等部件上進行了模型深化研究。而在風電場實際調(diào)試運行階段，需對各種可能造成風電機組振動加速度超限故障的問題進行現(xiàn)場判斷，同時對機組振動故障造成停機的分析處理應盡可能及時，采取必要手段排除傳感設備以及主要機械部件異常后，還需對機組運行數(shù)據(jù)進行必要的復核分析，以便為該故障的分析與排除提供必要的幫助。

風電機組振動故障分析

由于風電場運行的環(huán)境通常比較惡劣、變化多樣以及風電機組自身機械結構的特點，風電機組所受外力以及振動自由度相對于其他大型旋轉(zhuǎn)機械隨機性要多，而且風電機組結構振動的設計也關乎其控制系統(tǒng)設計。通常風電機組應按照現(xiàn)行的標準和規(guī)范進行系統(tǒng)、完整的設計，特別是經(jīng)過第三方型式認證樣機實驗調(diào)整后應形成一個相對穩(wěn)定的系統(tǒng)，但是由于風電機組整體由基礎、塔筒、機艙、風輪等各個部件組成，其制造與安裝對于具體項目可能存在差異，在工程實踐中經(jīng)常出現(xiàn)由于安裝和運行處于非設計狀態(tài)（比如彈性支承設置不合理、螺栓預緊力矩不足、傳動軸系對中偏差較大等）而出現(xiàn)振動過大的情況，因此在分析現(xiàn)場振動系統(tǒng)故障問題時，還需必要的手段對振動誘因進行全面分析，以便找到故障誘因，高效地排除故障，保證設備安全經(jīng)濟運行。

某風電場機組振動實測分析

某風電場安裝1500kW-77雙饋風電機組（某風電機組供應商為適應沿海區(qū)域開發(fā)的新機型）33臺，總裝機容量4.95萬千瓦。該機型輪轂中心高度75m，三段圓錐形塔架，剛性混凝土承臺PHC樁基礎。該風電場在安裝調(diào)試試運行時，常在10m/s風速左右的變速區(qū)域（機組額定風速11.3m/s）出現(xiàn)振動保護停機（某方向耦合加速度大于2m/s2）。經(jīng)現(xiàn)場電氣檢查發(fā)電機部分、傳動鏈部分、偏航系統(tǒng)部分、PHC傳感設備硬件、電氣控制部分無異常，對發(fā)電機與齒輪箱進行再次對中后效果仍然不明顯。復核施工記錄，設備基礎施工與安裝工藝均正常。鑒于該機組未安裝振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，遂就地采集固定于機架后部的風電機組結構振動監(jiān)控裝置PCH1026（機組標配，其振動信號為風電機組安全鏈系統(tǒng)串聯(lián)信號之一，具體布置見圖1、裝置示意圖見圖2）運行數(shù)據(jù)，擬采用離散傅里葉變換分析其振動頻譜分量。該裝置將檢測的振動加速度信號轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬量，再通過CAN通信方式傳輸至機組PLC中央控制器。根據(jù)該裝置使用說明手冊，其濾波器旁通“By-pass”默認頻響范圍為0.03～ 100Hz。

圖1 振動監(jiān)測裝置PCH1026在風電機組機艙中的布置

圖2 固定于機架尾部的PCH1026

為了盡可能準確獲得設備運行時的振動情況，現(xiàn)場以100Hz頻率對故障率較高的三臺機組（后分別定義為A、B、C）進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集，持續(xù)時間約為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的方法，它可分析信號的成分，將時域信號變換為頻域信號，如此就可以在時域信號的基礎上分析該段信號的頻域特征。通常利用三角函數(shù)作為傅立葉變換分析信號的成分。計算方程如下：

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。

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

一、PCH振動數(shù)據(jù)處理

根據(jù)快速離散傅里葉變換的方法對A、B、C三臺機組所采集PCH振動三向傳感器數(shù)據(jù)進行處理（期間風輪轉(zhuǎn)速約12～16rpm），獲得結果如表1以及A、B、C機組數(shù)據(jù)頻域圖（圖3-A、圖3-B、圖3-C）所示。

圖3-A A機組頻域分析圖

圖3-B B機組頻域分析圖

圖3-C C機組頻域分析圖

由表1與數(shù)據(jù)處理后綜合分析圖3可看出，盡管A機組相對其他機組有些差異，但趨勢基本一致。即前后振動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；上下振動加速度較大的頻率分量主要位于30Hz左右相對較高的區(qū)域。由此可判斷風電機組變速區(qū)域運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，造成振動數(shù)值較大進而導致風電機組振動保護性停機。

二、轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)分析

在前述分析的基礎上結合采集數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在風電機組轉(zhuǎn)速不變的情況下，實時勵磁轉(zhuǎn)矩隨著風速變化，而且轉(zhuǎn)矩變化過程中，振動值（適當考慮轉(zhuǎn)矩變化反應到振動系統(tǒng)的響應時間）也隨著風速變化而變化（圖4-A、圖4-B、圖4-C）。從圖中標注位置可以看出轉(zhuǎn)矩波動時振動值出現(xiàn)比較明顯的跟隨波動，可能是振動保護的誘因。遂檢查三臺機組發(fā)電機勵磁、發(fā)電機地腳連接緊固以及發(fā)電機變頻勵磁回路電氣，發(fā)現(xiàn)均無缺陷，而且設計轉(zhuǎn)矩與控制給定實際勵磁轉(zhuǎn)矩的跟隨誤差也合理。

在進行發(fā)電機與齒輪箱對中過程中，進一步檢查發(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)電機轉(zhuǎn)矩調(diào)制的脈動引起的振動直接傳遞到機架上，對塔架等構件施加激勵。在對風電機組重新進行發(fā)電機與齒輪箱對中后，使調(diào)整螺栓與發(fā)電機本體分離，運行故障明顯減少。

綜合分析認為，由于發(fā)電機彈性支承未處于設計工作狀態(tài)，在發(fā)電機轉(zhuǎn)矩脈沖調(diào)制引起波動后，機組系統(tǒng)整體結構響應很可能引起相關部分間斷諧振，造成振動保護停機。關于地腳螺栓與發(fā)電機剛性連接情況下與系統(tǒng)響應的關系未再次采集數(shù)據(jù)對比分析，對系統(tǒng)的量化響應影響有待進一步考究。

表1 PCH數(shù)據(jù)處理統(tǒng)計表

圖4-A A機組某時段振動隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

圖4-B B機組某時段振動隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

圖4-C C機組某時段振動隨轉(zhuǎn)矩變化情況（約10s）

結論

本文采用傅里葉分析方法分析了風電機組運行狀態(tài)下振動數(shù)據(jù)的成分，并結合現(xiàn)場情況分析了地腳調(diào)整螺栓非設計狀態(tài)振動故障的誘因，為類似風電機組振動故障提供了必要的參考與建議：

風電機組調(diào)試運行時，結合運行數(shù)據(jù)對風電機組運行狀態(tài)分析，有利于指導現(xiàn)場故障處理。同時本次實測數(shù)據(jù)表明，盡管塔架設計時已經(jīng)考慮避開塔架固有頻率，但是塔架一階、二階振動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保護性停機。

雙饋發(fā)電機組對中以及地腳彈性支承的工作狀態(tài)十分重要，不論在設備調(diào)試階段還是商業(yè)運營階段，均應根據(jù)其設備供應商推薦服役年限與工作狀態(tài)進行定期的年檢維護，結合SCADA數(shù)據(jù)分析不同安裝位置使用狀態(tài)對系統(tǒng)激勵的影響，避免不必要的故障造成風電機組可利用率損失。