基于多源數(shù)據(jù)的海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征分析

孟安康， 于倩祥， 周 胡， 遲書凱， 黎 明

(1. 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院， 山東 青島 266100；2. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 新能源工程院， 浙江 杭州 311122)

0 引 言

在海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測的發(fā)展過程中，受限于技術(shù)設(shè)備、現(xiàn)場條件和數(shù)據(jù)資源共享等原因，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測大多只采集塔筒振動(dòng)加速度[1-2]、位移[3-4]、應(yīng)變[5]或者傾角等參數(shù)中的一種或幾種，數(shù)據(jù)來源單一。在監(jiān)測過程中風(fēng)機(jī)大多處于停機(jī)狀態(tài)，環(huán)境激勵(lì)響應(yīng)能量較弱。蔡鷗等[3]基于海上風(fēng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下塔筒的實(shí)測位移響應(yīng)數(shù)據(jù)，采用特征實(shí)現(xiàn)算法對其進(jìn)行模態(tài)參數(shù)分析。也有學(xué)者采用靠船、發(fā)電機(jī)啟停制動(dòng)等方式獲取大能量激勵(lì)響應(yīng)。周琳等[1]基于無線加速度傳感器，分別測試單樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和整機(jī)狀態(tài)下的海上風(fēng)機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下和受到靠船撞擊時(shí)的加速度響應(yīng)，驗(yàn)證弱模態(tài)識別算法對于風(fēng)電結(jié)構(gòu)運(yùn)行模態(tài)分析的有效性。DAMGAARD等[2]和VERSTEIJLEN等[6]進(jìn)行大量的停機(jī)制動(dòng)測試，根據(jù)塔筒頂部的加速度響應(yīng)數(shù)據(jù)評估風(fēng)機(jī)的模態(tài)參數(shù)，著重分析影響風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)阻尼的相關(guān)因素。然而基于單一數(shù)據(jù)來源和簡單工況的結(jié)構(gòu)監(jiān)測往往只能進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識相關(guān)工作，無法進(jìn)一步分析外部因素對結(jié)構(gòu)狀態(tài)的影響。

隨著監(jiān)測技術(shù)的提升和現(xiàn)場條件的不斷改善，海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)監(jiān)測逐漸向數(shù)字化和精細(xì)化方向發(fā)展，長期多源實(shí)時(shí)的監(jiān)測方式逐漸被采用和實(shí)施。監(jiān)測數(shù)據(jù)來源由單一停機(jī)狀態(tài)下結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)擴(kuò)展至多工況狀態(tài)下多源信息，包括環(huán)境、工況和結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)。FRITZEN等[7]提出海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)框架，針對風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間工況劃分、傳感器異常診斷等問題進(jìn)行研究。WEIJTJENS 等[8-11]自2011年起在多臺海上風(fēng)機(jī)上部署結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)，并進(jìn)行長期監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)、自動(dòng)模態(tài)追蹤識別等多個(gè)方面的研究。HU等[12-13]對1臺5 MW陸上風(fēng)機(jī)進(jìn)行持續(xù)2年的監(jiān)測，分析振動(dòng)響應(yīng)與風(fēng)速、溫度、變槳、偏航等環(huán)境工況因素的關(guān)系，并提出基于主成分分析的結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)歸一化方法，剔除環(huán)境和工況變化對結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響，進(jìn)而分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)自身狀態(tài)的改變在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的體現(xiàn)。董霄峰等[14]基于海上風(fēng)電試驗(yàn)樣機(jī)，分析風(fēng)機(jī)頂部和底部在不同工況下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)頻域特征。MARTINEZ-LUENGO等[15]對海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測發(fā)展歷史和現(xiàn)狀進(jìn)行歸納，詳細(xì)介紹風(fēng)電結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)組成，并對海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)監(jiān)測的不足和發(fā)展方向進(jìn)行展望。綜上所述，海上風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)受海洋環(huán)境及工況的影響呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，在分析評估結(jié)構(gòu)狀態(tài)時(shí)應(yīng)充分考慮外部因素帶來的影響?；陂L期的多源信息監(jiān)測更適應(yīng)今后海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求和趨勢，通過多源數(shù)據(jù)之間的信息關(guān)聯(lián)特征，能夠獲得更精細(xì)和準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)狀態(tài)信息。因此，有必要進(jìn)行海上風(fēng)機(jī)長期多源信息監(jiān)測，分析環(huán)境和工況對風(fēng)機(jī)響應(yīng)特征的影響，總結(jié)海上風(fēng)機(jī)服役過程中結(jié)構(gòu)狀態(tài)的變化規(guī)律。

本文對中國江蘇某海域4 MW單樁式海上風(fēng)機(jī)進(jìn)行長期監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)響應(yīng)數(shù)據(jù)(加速度與傾角)，機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)(發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、偏航、變槳)和環(huán)境數(shù)據(jù)(風(fēng)速)?；陂L期監(jiān)測的多源數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征與工況、環(huán)境間的相關(guān)性。

1 現(xiàn)場監(jiān)測概況

以1臺處于服役初期的4 MW單樁式海上風(fēng)機(jī)為典型樣本。在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)部扭纜層、馬鞍層、第2平臺、第1平臺和基礎(chǔ)法蘭層等不同高度部署三軸加速度傳感器，并在塔筒頂部的扭纜層和底部的基礎(chǔ)法蘭層安裝兩軸傾角傳感器，如圖1所示。所有傳感器位于同一垂直平面，以磁吸式部署方式緊貼風(fēng)機(jī)內(nèi)壁。同時(shí)，風(fēng)機(jī)監(jiān)視控制與數(shù)據(jù)采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系統(tǒng)包含大量能準(zhǔn)確描述機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)和現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)，選取發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角、偏航、風(fēng)速等4類數(shù)據(jù)接入監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)同步采集。

單位：m圖1 傳感器安裝示例

2 運(yùn)行工況劃分及數(shù)據(jù)預(yù)處理

海上風(fēng)機(jī)隨風(fēng)速改變呈現(xiàn)不同的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速及槳距角與風(fēng)速的相關(guān)分布分別如圖2和圖3所示。以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角為依據(jù)，按表 1所示參數(shù)將風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程劃分為停機(jī)狀態(tài)、啟停機(jī)過程、低轉(zhuǎn)速運(yùn)行、變轉(zhuǎn)速過程和額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行等5類工況。圖4對一段典型的海上風(fēng)機(jī)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行工況劃分。由圖4可知：在停機(jī)狀態(tài)下，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0 r/min, 葉片處于順槳狀態(tài)，槳距角接近90°；在啟停機(jī)過程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高至860 r/min，槳距角降低至0°，以獲取最大風(fēng)能利用系數(shù)；在低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)以860 r/min的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行，槳距角維持在0°附近；在變轉(zhuǎn)速過程中，發(fā)電機(jī)受風(fēng)速影響不斷調(diào)整轉(zhuǎn)速，且槳距角在0°附近保持不變，使風(fēng)機(jī)最大限度地捕獲風(fēng)能；在額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，變槳控制系統(tǒng)調(diào)整槳距角，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在1 470 r/min額定轉(zhuǎn)速附近，從而控制風(fēng)機(jī)的輸出功率穩(wěn)定[16]。

圖2 風(fēng)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)分布

圖3 風(fēng)速與槳距角相關(guān)分布

表1 工況劃分

圖4 工況劃分

由于加速度傳感器和傾角傳感器固定在塔筒中，需要根據(jù)偏航角度進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換[17-18]，將測量數(shù)據(jù)由傳感器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至機(jī)艙坐標(biāo)系，如圖5所示。圖5中：坐標(biāo)系原點(diǎn)O為傳感器所在位置；SS為機(jī)艙坐標(biāo)系側(cè)向(Side-Side，SS)；FA為機(jī)艙坐標(biāo)系前后向(Fore-After，F(xiàn)A)；θ為傳感器坐標(biāo)系x軸方向與機(jī)艙坐標(biāo)系SS軸方向的夾角。所使用的三軸加速度傳感器和二軸傾角加速度傳感器坐標(biāo)系下xy平面與水平面平行，根據(jù)式(1)進(jìn)行坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換：

(1)

式中：DSS和DFA分別為轉(zhuǎn)換后機(jī)艙坐標(biāo)系下的SS和FA方向上的加速度或傾角；Dx、Dy分別為傳感器坐標(biāo)系下x、y方向上的加速度或傾角。

圖5 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換示例

3 風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征分析

3.1 不同工況下加速度響應(yīng)特征

對500 h的海上風(fēng)機(jī)多源連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以10 min為間隔劃分?jǐn)?shù)據(jù)集，計(jì)算風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，并進(jìn)一步分析風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)響應(yīng)與工況、環(huán)境間的相關(guān)性。

統(tǒng)計(jì)工況1下所有樣本的加速度有效值，求其平均值以分析該工況下加速度響應(yīng)特征。由圖6可知，該工況下塔筒頂部1號測點(diǎn)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度最大，且加速度響應(yīng)強(qiáng)度隨著高度降低而減弱。對比同一測點(diǎn)的不同方向，機(jī)艙坐標(biāo)系下SS方向的加速度響應(yīng)強(qiáng)度大于FA方向的加速度響應(yīng)強(qiáng)度，表明該工況下風(fēng)機(jī)以SS方向?yàn)橹髡穹较?。圖7為停機(jī)狀態(tài)下某典型樣本的各測點(diǎn)加速度的FASS平面分布。圖7中塔筒頂部1號測點(diǎn)加速度在FASS平面呈明顯的橢圓分布，并且以SS方向?yàn)殚L軸。同時(shí)，隨著測點(diǎn)高度的降低，加速度平面分布逐漸收縮至圓形分布，SS方向和FA方向響應(yīng)強(qiáng)度差異降低。這是由于葉片在FA方向受空氣動(dòng)力阻尼的影響，導(dǎo)致塔筒擺振運(yùn)動(dòng)以SS方向?yàn)橹髡穹较?。此外，傾角響應(yīng)在FASS平面也呈現(xiàn)出以SS方向?yàn)殚L軸的橢圓分布，如圖8所示。

圖6 工況1風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)加速度有效值

圖7 工況1風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)加速度平面分布

工況2啟停機(jī)過程可進(jìn)一步劃分為啟動(dòng)過程和停機(jī)過程。以2段啟停機(jī)過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析該工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)變化。圖9為風(fēng)機(jī)某次啟動(dòng)過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、槳距角和塔筒中部3號測點(diǎn)FA方向加速度響應(yīng)變化曲線。由圖9可知：

圖8 工況1風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)傾角平面分布

當(dāng)風(fēng)機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近0 r/min，此時(shí)風(fēng)機(jī)主要受到風(fēng)、波浪等環(huán)境因素激勵(lì)，加速度響應(yīng)強(qiáng)度較弱；當(dāng)外部風(fēng)速大于切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)進(jìn)入啟動(dòng)工況，風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行變槳?jiǎng)幼鳎瑯嘟怯?4°減小至0°，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速也隨之逐步提高。在200 s左右，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近860 r/min，此時(shí)塔筒加速度響應(yīng)強(qiáng)度迅速增大，直至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到并網(wǎng)運(yùn)行條件，葉輪捕獲的部分風(fēng)能被轉(zhuǎn)化為電能，加速度響應(yīng)強(qiáng)度開始降低并趨于穩(wěn)定。

圖9 工況2風(fēng)機(jī)啟動(dòng)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

海上風(fēng)機(jī)停機(jī)過程備受學(xué)者關(guān)注，該過程結(jié)構(gòu)響應(yīng)接近自由衰減振動(dòng)，由分析停機(jī)過程的響應(yīng)數(shù)據(jù)能夠更準(zhǔn)確地獲知結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)，對海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)辨識具有重要意義[4,6,19]。圖10為風(fēng)機(jī)停機(jī)過程中塔筒中部3號測點(diǎn)FA方向加速度響應(yīng)變化曲線。在350 s時(shí)，受風(fēng)機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的影響，塔筒結(jié)構(gòu)發(fā)生劇烈振動(dòng)，隨后呈衰減趨勢，其包絡(luò)線明顯。

圖10 工況2風(fēng)機(jī)停機(jī)過程監(jiān)測數(shù)據(jù)

工況3在風(fēng)機(jī)運(yùn)營期間所占比例較小，計(jì)算該工況下所有樣本加速度有效值的平均值，如圖11所示。在該工況下風(fēng)機(jī)以SS方向?yàn)橹髡穹较颍岔敳?號測點(diǎn)加速度響應(yīng)強(qiáng)度最高，且響應(yīng)強(qiáng)度隨著測點(diǎn)高度下降而減弱。在該工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)除了受到環(huán)境激勵(lì)外，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)使得結(jié)構(gòu)振動(dòng)比停機(jī)狀態(tài)下更為強(qiáng)烈。

圖11 工況3風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)加速度有效值

在工況4下，風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速不斷調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖12為工況4下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與塔筒結(jié)構(gòu)響應(yīng)的相關(guān)性，圖12中SSn代表n號測點(diǎn)SS方向的加速度響應(yīng)。由圖12可知，塔筒3號、4號、5號測點(diǎn)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)，且隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，3號測點(diǎn)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度逐漸超過塔筒頂部1號和2號測點(diǎn)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度。

圖12 工況4各測點(diǎn)加速度響應(yīng)與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)性

在工況5下，風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)以SS方向?yàn)橹髡穹较?，并且風(fēng)機(jī)塔筒中部3號測點(diǎn)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度高于其他測點(diǎn)，如圖13所示。對此，OLIVEIRA認(rèn)為這是由于塔影效應(yīng)，槳葉旋轉(zhuǎn)對塔筒中部產(chǎn)生額外的激勵(lì)。

圖13 工況5風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)加速度有效值

圖14匯總所有工況下風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)SS方向加速度響應(yīng)強(qiáng)度。由圖14可知，塔筒中部測點(diǎn)(SS3)的加速度響應(yīng)對工況的變化更加敏感。

圖14 不同工況下風(fēng)機(jī)各測點(diǎn)加速度有效值

3.2 風(fēng)速與加速度響應(yīng)相關(guān)性

圖15為海上風(fēng)機(jī)運(yùn)行期間風(fēng)速與加速度響應(yīng)的分布圖。對比所有工況，工況1下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)強(qiáng)度最小，且該工況下加速度響應(yīng)強(qiáng)度并不隨風(fēng)速增加而加強(qiáng)，這表明在停機(jī)時(shí)風(fēng)直接作用在風(fēng)機(jī)上導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)振動(dòng)程度有限。在工況3和工況4下，加速度響應(yīng)強(qiáng)度與風(fēng)速呈正相關(guān)，在風(fēng)速達(dá)10 m/s時(shí)，最大加速度響應(yīng)強(qiáng)度達(dá)0.19 m/s2。在工況5下，當(dāng)風(fēng)速為10～16 m/s時(shí)，加速度響應(yīng)強(qiáng)度隨著風(fēng)速增加而下降，這是由于風(fēng)機(jī)在達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，槳距角的增加使葉片所承受的空氣動(dòng)力載荷降低。

圖15 風(fēng)速-加速度響應(yīng)相關(guān)分布

4 結(jié) 論

介紹部署于4 MW海上風(fēng)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，基于多源實(shí)測數(shù)據(jù)，根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和槳距角將風(fēng)機(jī)運(yùn)行過程劃分為5類工況。對不同工況下風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征分析，得出風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的主振方向?yàn)闄C(jī)艙坐標(biāo)系SS方向；進(jìn)一步分析不同位置的加速度響應(yīng)和工況、風(fēng)速的相關(guān)性，結(jié)果表明當(dāng)風(fēng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速且尚未變槳(風(fēng)速為10 m/s左右)時(shí)，加速度響應(yīng)強(qiáng)度達(dá)最大值，并且塔筒中部的響應(yīng)強(qiáng)度大于其他位置的響應(yīng)強(qiáng)度。在額定運(yùn)行工況(風(fēng)速為10～16 m/s)下，風(fēng)機(jī)機(jī)艙坐標(biāo)系下FA方向加速度響應(yīng)強(qiáng)度隨風(fēng)速增加呈下降趨勢。因此，在海上風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)監(jiān)測中，風(fēng)機(jī)剛達(dá)到額定轉(zhuǎn)速且尚未變槳時(shí)塔筒中部位置的加速度響應(yīng)特征應(yīng)受到額外關(guān)注。