風電機組減振技術發展現狀分析

文 | 田德 錢家驥

風電機組減振技術發展現狀分析

文 | 田德 錢家驥

風電機組是一個復雜的多體耦合系統，同時承受著多變的風力載荷，導致振動在風電機組中普遍存在。振動可以導致風電機組機械性能下降，繼而引發電能質量下降。當今風電機組不斷朝著大型化方向發展，目前國內外的大型風電機組的塔架高度和風輪直徑普遍達到數十米至上百米。要保證這樣巨大的結構在風力作用下安全平穩地運行，振動是必須解決的關鍵問題之一。同時，機組的振動可以提供運行狀態信息，為振動分析與故障診斷提供了條件。

風電機組是由多個部分組成的復合系統，不同構件接受不同來源，不同頻率的激勵，產生多種不同的振動并產生隱患。風電機組主要的彈性振動體是葉片和塔架，彈性振動最大的危害是令結構產生疲勞，縮短使用壽命。機艙剛性較好，主要以質量慣性參與振動。同時不穩定的風速輸入與傳動配合等因素導致傳動系統的振動并引發故障。另外偏航系統中都存在摩擦性能的不穩定，也表現為振動噪聲現象。

塔架和葉片的振動

風電機組塔架主要受到來自風輪、機艙及自身重力作用，同時受到各種風況引起的動載荷作用，承受具有時變性的不同大小和方向的疲勞載荷和極限載荷，這對塔架提出了較高的強度、剛度和穩定性要求。所以在設計時振動分析與控制是必要的，通過對塔架振動特性的測量，研究和分析，可以了解實際工作過程中塔架的振動水平及頻率成分，從而改進設計，提高安全可靠性。

風電機組塔架振動的原因主要有以下幾點：（1）風輪軸偏離風向，軸向不對稱性使各個葉片上的速度矢量三角形不相等，產生振動；（2）風速在風輪掃掠面上分布不均勻；（3）風速的時變特性；（4）風輪旋轉時各葉片所受重力的方向不斷變化，使風輪對主軸作用力連續變化；（5）風輪對風時的轉動使葉片內部產生陀螺應力。同時塔架作為基礎支撐結構，還要考慮到地震等地質影響因素。以上原因引起的塔架振動形式主要有三種：側向彎曲振動、前后彎曲振動和扭轉振動。這些振動不但導致塔架的附加應力，影響結構強度，還會導致塔架頂端風輪的變形和振動。振動對于塔架最大危害是使構件產生疲勞，在變載荷作用下塔架材料強度大大降低，使用壽命嚴重縮短。

目前研究表明塔架的主要振動形式是一階彎曲振動，一階固有頻率為0.5Hz左右。二階以上振動幅值較小，不會產生明顯破壞作用。

葉片受周期性干擾力作用時，可能在不同方向發生受迫振動。其可能的振動類型有三種：揮舞，是指葉片在垂直于旋轉平面方向上的彎曲振動；擺振，是指葉片在旋轉平面內的彎曲振動；扭轉，是指其葉片繞其變矩軸的扭轉振動。復合振動指彎曲和扭轉兼而有之的振動。這三種機械振動和氣動力共同作用，形成氣動彈性問題。如圖一所示，對風電機組危害最大的顫振是在彈性力、慣性力與氣動力等多種因素交織作用下形成的。

風電機組在實際條件中運行時，作用在葉片上的空氣動力、慣性力和彈性力的形成交變載荷，會使葉片和塔架產生耦合振動，其主要有兩種形式，葉片擺振與塔架側向彎曲耦合，葉片揮舞與塔架前后彎曲耦合。當葉片的旋轉頻率接近耦合的固有頻率時就會出現共振現象，產生較大的動應力，導致結構的疲勞破壞，縮短整機的使用壽命，直接影響風電機組的性能和穩定性。

研究表明大型風電機組葉片的低階模態固有頻率在0.1Hz至幾十赫茲范圍內，固有頻率隨階數增高而增高。

圖1 顫振的形成原因

攝影：費雅靜

固有頻率也會隨著葉片尺寸變大而降低，隨著實際風速提高而升高。葉片擺振方向的固有頻率高于揮舞方向的固有頻率，扭轉方向的頻率最高，主要以低階的揮舞和擺振振動起主要作用，扭轉方向的振動影響不大。所以葉片在低階模態時的固有頻率與塔架的固有頻率有重疊區間，如風電機組起停機時較容易發生比較大的振動。

原理上避免顫振有兩種主要措施：（1）在設計中主動避免顫振破壞，（2）實際工況中通過振動保護系統保護結構。風電機組在運行中，不能完全避免振動，在設計中應當設法使振動盡可能減小，特別是要避免發生共振。在實際設計中可通過適當調整結構的質量和剛度分布，改變固有頻率或限定風輪的轉速，使轉速盡量避開其共振點。

在風電機組的塔架與葉片的動力學特性上學者們進行了大量實驗與研究，哈爾濱工業大學李健分析了海上風力發電塔架的渦激振動及疲勞；天津大學任鴻鵬等分析了鋼筋混凝土塔架的靜力及地震響應；河海大學趙文濤等對鋼塔筒載荷的計算方法進行了研究；中國科學院工程熱物理研究所的毛火軍等對葉片進行了模態測試與有限元分析；新疆大學喬印虎等對葉片振動保護方式進行了研究并提出技術方案；新疆大學周梅等采用單片機設計了風電機組振動保護儀。

齒輪傳動系統的振動

風電機組傳動系統的振動問題具有獨特的動力學特性，尤其是連接風輪和發電機的齒輪箱，在隨機風速變化環境中，受到的風載荷非常復雜；葉片、塔架、機艙等結構在實際風況作用下也會產生振動和變形，對齒輪傳動系統的動力學特性也會產生重要影響。因此在實際環境中風電機組齒輪傳動系統與常規齒輪傳動系統有很大區別，應予以區分研究。

齒輪傳動系統的動態激勵主要包括兩方面，齒輪副輪齒嚙合本身所產生的內部激勵和系統的其他因素對齒輪嚙合所產生的外部激勵。齒輪副的內部激勵是指由齒輪副輪齒嚙合過程中所產生的動態激勵，主要包括以下三種形式：（1）剛度激勵：由于齒輪輪齒嚙合的重合度大多不是整數，嚙合過程中同時參與嚙合的齒對數不斷變化，輪齒的嚙合綜合剛度隨時間周期變化，進而產生動態嚙合力，對系統產生動態激勵。（2）誤差激勵：齒輪的加工和安裝存在誤差，嚙合齒廓與理想位置存在偏離，誤差產生的影響具有的時變性，這種偏離就形成了嚙合過程中的一種位移激勵。（3）嚙合沖擊激勵：輪齒的誤差和受載彈性變形，使一對輪齒在進入嚙合時，其嚙入點偏離嚙合線上的理論嚙入點，引起嚙入沖擊；而在一對輪齒完成嚙合過程退出嚙合時，也會產生嚙出沖擊。嚙入和嚙出時的沖擊統稱為嚙合沖擊。產生外部激勵的原因有：齒輪旋轉質量不平衡、幾何偏心、風輪負載扭矩波動以及系統中有關零部件的激勵特性。齒輪傳動系統的固有頻率處于10Hz－1000Hz區間內，基本高于風電機組其它組件固有頻率。

齒輪傳動系統的振動，給風電機組安全運行帶來極大隱患，降低齒輪箱使用壽命，提高故障發生頻率，影響發電質量。齒輪傳動系統振動問題的先進理論技術長期被國外占有，雖然近年來在國家政策的支持下，風電科技整體取得較大進步，但仍主要依賴進口，缺乏獨立的研發能力。同時齒輪箱又是風電機組故障發生最頻繁的部件之一，在缺乏理論技術指導的情況下，齒輪箱故障帶來的維護維修，給風電場的生產帶來巨大的損失。

對于常規齒輪系統的動力學表現早在上世界80年代中外學者就進行了大量研究并取得顯著成果，風力發電專門的齒輪箱傳動研究起步較晚。重慶大學朱才朝等對風力發電齒輪箱系統耦合非線性動態特性進行了研究；浙江大學李杰，王樂勤對1.5MW風力發電齒輪箱箱體進行了有限元分析；重慶大學古西國對兆瓦級風電機組齒輪傳動系統耦合振動進行了分析與優化設計；大連理工大學柴俊卿對風電機組齒輪增速箱振動進行了有限元動力學分析；重慶大學周志剛對風電機組面對的隨機風速進行建模，利用有限元法對風電機組齒輪傳動系統動力學及動態可靠性進行了研究。

偏航系統的振動

大型風電機組均采用主動偏航系統，并普遍設置有摩擦制動機構，由于偏航動作具有低速、重載的特點，低速摩擦自激振動現象多發，導致偏航運動均勻性差、精度降低，而且容易產生沖擊，產生額外的疲勞載荷，而且偏航系統的固有頻率區間與塔架固有頻率區間重疊度很大，比較容易產生共振。

西北工業大學廖明夫等指出潤滑不良、裝配誤差、結構缺陷等會影響扭矩傳遞的平穩性，摩擦副可能成為振源，當其自激振動頻率接近塔架的典型固有頻率時，會引起塔架的扭轉振動失穩。鄂加強等進行了風電偏航減速機動力學仿真分析。南車株洲電力機車研究所韓德海等對實驗室和風電場機組出現的偏航振動噪聲進行了測試和分析，指出了典型偏航振動噪聲的時域和頻域特征，給出了偏振動噪聲的辨識方法。中南大學李曉光等建立了兆瓦級風電機組偏航系統振動模型和運動學方程，并引入摩擦失穩阻尼比，得出了主動偏航過程兆瓦級風電機組偏航系統摩擦失穩條件。

減振技術

解決風電機組的振動問題，總體上要從設計上的優化與控制上的優化兩個方面進行。

在設計風電機組時，要深度研究振動機理，確定具體部件振動發生的根本原因，通過優化結構設計的方式，降低振動發生的機率。采用模態分析，有限元分析等現代計算方法，在理論成立的情況下建模仿真，具備條件時進行具體實驗，在實踐中改進風電機組各部件的設計。利用日益發展的材料科學技術與加工工藝，尋找更加適用于風電機組的材料來滿足風力發電的特殊生產需求。同時要積極創新，改革現有理論技術，尋找新的設計方式?？刂苾灮矫鎽O計更高效的控制方法，改善控制精度與控制可靠性。通過控制與監測技術的優化及時發現振動引發故障的征兆，降低機組損壞機率，減少運營維護成本與損失。

由于利用振動監測和分析技術進行故障診斷的信息類型多，量值變化范圍大，具有多維性，便于進行識別和決策，該技術被廣泛應用于風電機組的運行維護。在工程實際中監測到的振動信號通常是多種振動信號的組合，需要將原始信號進行處理，利用時域、頻域和時頻分析方法提取有用的故障征兆信息。對風電機組實施監控，當監控的參數超過限定值馬上執行停機或者報警的措施，這樣能有效避免故障發生與機組損壞。重慶大學吳宏鋼設計了一種風電機組振動檢測與噪聲評估虛擬儀器系統；華北電力大學張照煌等提出了一中基于小波變換的風電機組傳動系統故障診斷分析方法；浙江大學徐展設計并完成了基于嵌入式系統下位機和基于PC上位機架構的在線監測、故障預警與診斷一體化系統。除此之外國內外還有大量的相關研究成果。

振動信號監測系統原理圖如圖二所示。

結語

從風電機組的塔架，葉片，齒輪傳動系統和偏航系統幾個方面介紹了風電機組運行中普遍存在的振動問題，簡析各種振動的成因與危害，概述各部件固有頻率與共振發生機率，分析了目前國內外已經取得的一些減振技術研究成果。并給出以下幾點建議：

(1)設計與生產安裝方面：優化機組結構設計以提高機械平衡性能及其他機械性能，采用具有耐疲勞性能的材料，提高機組部件生產質量，提高裝配精度，減小生產與安裝誤差引起的振動激勵；

(2)控制方面：優化控制策略與方法，改善現有控制方式，提高控制精度與可靠性，在控制層面提高對振動產生破壞的應對能力；

(3)實際測試方面：對風電機組運行過程進行監測，測量記錄各部件實際工況中的振動，分析研究振動信號包涵的有效信息，將分析結果結合理論深入研究振動成因，提出減振方法。

圖2 基于振動信號的狀態監測系統

(作者單位：新能源電力系統國家重點實驗室 華北電力大學)

攝影：趙云逸