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，主要表現為系統模型的建立、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，還需對機組運行數據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設計。通常風電機組應按照現行的標準和規范進行系統、完整的設計，特別是經過第三方型式認證樣機實驗調整后應形成一個相對穩定的系統，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，在工程實踐中經常出現由于安裝和運行處于非設計狀態（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）而出現振動過大的情況，因此在分析現場振動系統故障問題時，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域開發的新機型）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。該風電場在安裝調試試運行時，常在10m/s風速左右的變速區域（機組額定風速11.3m/s）出現振動保護停機（某方向耦合加速度大于2m/s2）。經現場電氣檢查發電機部分、傳動鏈部分、偏航系統部分、PHC傳感設備硬件、電氣控制部分無異常，對發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測系統，遂就地采集固定于機架后部的風電機組結構振動監控裝置PCH1026（機組標配，其振動信號為風電機組安全鏈系統串聯信號之一，具體布置見圖1、裝置示意圖見圖2）運行數據，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）進行現場數據采集，持續時間約為5min。為分析原始數據頻譜成分，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。通常利用三角函數作為傅立葉變換分析信號的成分。計算方程如下：

式中，F（ω）為f（t）的像函數， f（t）叫做F（ω）的像原函數；F（ω）是f（t）的像，f（t）是F（ω）原像。

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

一、PCH振動數據處理

根據快速離散傅里葉變換的方法對A、B、C三臺機組所采集PCH振動三向傳感器數據進行處理（期間風輪轉速約12～16rpm），獲得結果如表1以及A、B、C機組數據頻域圖（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與數據處理后綜合分析圖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左右相對較高的區域。由此可判斷風電機組變速區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共振，造成振動數值較大進而導致風電機組振動保護性停機。

二、轉矩數據分析

在前述分析的基礎上結合采集數據發現，在風電機組轉速不變的情況下，實時勵磁轉矩隨著風速變化，而且轉矩變化過程中，振動值（適當考慮轉矩變化反應到振動系統的響應時間）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矩波動時振動值出現比較明顯的跟隨波動，可能是振動保護的誘因。遂檢查三臺機組發電機勵磁、發電機地腳連接緊固以及發電機變頻勵磁回路電氣，發現均無缺陷，而且設計轉矩與控制給定實際勵磁轉矩的跟隨誤差也合理。

在進行發電機與齒輪箱對中過程中，進一步檢查發現地腳彈性支承左右方向的調整螺栓與發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，發電機轉矩調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電機與齒輪箱對中后，使調整螺栓與發電機本體分離，運行故障明顯減少。

綜合分析認為，由于發電機彈性支承未處于設計工作狀態，在發電機轉矩脈沖調制引起波動后，機組系統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。關于地腳螺栓與發電機剛性連接情況下與系統響應的關系未再次采集數據對比分析，對系統的量化響應影響有待進一步考究。

表1 PCH數據處理統計表

圖4-A A機組某時段振動隨轉矩變化情況（約10s）

圖4-B B機組某時段振動隨轉矩變化情況（約10s）

圖4-C C機組某時段振動隨轉矩變化情況（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下振動數據的成分，并結合現場情況分析了地腳調整螺栓非設計狀態振動故障的誘因，為類似風電機組振動故障提供了必要的參考與建議：

風電機組調試運行時，結合運行數據對風電機組運行狀態分析，有利于指導現場故障處理。同時本次實測數據表明，盡管塔架設計時已經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。

雙饋發電機組對中以及地腳彈性支承的工作狀態十分重要，不論在設備調試階段還是商業運營階段，均應根據其設備供應商推薦服役年限與工作狀態進行定期的年檢維護，結合SCADA數據分析不同安裝位置使用狀態對系統激勵的影響，避免不必要的故障造成風電機組可利用率損失。