風電機組剛性塔架共振分析及其控制策略

李穎峰，童 博，韓 斌，趙 勇

風電機組剛性塔架共振分析及其控制策略

李穎峰，童 博，韓 斌，趙 勇

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

本文對風電機組剛性塔架振動故障進行診斷和治理，基于剛性塔架風電機組的塔架動力學模型，確定了剛性塔架共振判定條件，分析了機組剛性塔架因陣風引起轉速超調導致塔架共振的原因，提出在葉輪轉速反饋控制基礎上，建立以功率輸出平穩為準則、以葉輪為風速計的預估風速控制優化方法。將該方法用于某2 000 kW風電機組剛性塔架振動故障，實際結果表明，葉輪轉速反饋與預估風速聯合控制可有效降低陣風引起的葉輪轉速超調，避免機組剛性塔架共振，效果顯著。

風電機組；剛性塔架；塔架共振；陣風；轉速超調；預估風速；葉輪轉速反饋

現代風電機組為了更好地捕獲風能、降低運行載荷，普遍采用變速變槳運行方式。而葉輪轉速范圍大可能導致葉輪旋轉頻率與其他部件如葉片、塔架、傳動鏈的固有頻率在某轉速點重合，從而產生共振。為避免機組共振，設計階段通常進行機組固有特性計算和引起共振及共振區域分析[1]。

風電機組總體設計中，除考慮葉片、塔架、傳動鏈固有頻率保持一定間隔外，應盡可能避免與外界諧振頻率重合[2]。文獻[3-4]建議葉片固有頻率與葉輪旋轉頻率、葉片穿越頻率保持距離，塔架固有頻率、葉輪旋轉頻率保持距離。工程實踐中因塔架一階彎曲頻率較低，與葉輪旋轉頻率和葉片穿越頻率更接近，因此塔架共振問題尤為突出[5]，這會導致整個機組振動，直接影響機組安全性。

控制策略上在避免風電機組塔架共振問題時，常采用設定塔架共振轉速區域[6]，稱為轉速禁區（speed exclusion zone, SEZ）。文獻[7]提出避免風電機組長期運行在該區域的控制策略。Bossanyi等人提出在共振轉速前后10%范圍內設定SEZ[8-10]，設定轉速在該區域內以一定斜率上升（ramped speed reference, RSR）。Schaak等人[11]提出在SEZ范圍內根據葉輪轉速設定發電機轉矩給定函數（torque demanding function, TDF），此函數確保SEZ為非穩定工作區。Licari等人[12]對Bossanyi的方法進行了基于MATLAB/Simulink的仿真及1.3 kW測試系統實驗驗證。

對于在役剛性機組，其風況復雜，強烈頻繁的陣風會引起葉輪轉速超調量大幅上升，葉輪轉速進入塔架共振帶，引起共振，導致機組報警停機，無法正常運行。在此情況下，無法使用SEZ方法避免塔架共振，而重新設計塔架的代價巨大。降低額定轉速，雖然可以避免塔架共振，但會增加發電機和變流器額定工況下電流，導致效率下降，加大散熱系統工作負荷，提高發電機和變流器運行溫度升高，引起報警停機。

本文針對某在役剛性塔架風電機組，建立風電機組塔架動力學模型，分析了塔架共振的條件，在風電機組轉速反饋控制的基礎上，增加預估風速，以補償陣風對葉輪轉速控制的干擾，達到抑制轉速超調的目的，從而避免了塔架的共振。

1 風電機組塔架動力學模型及共振

1.1 塔架動力學模型

風電機組塔架是一種典型的細長桿結構，將其簡化為帶彎曲變形的無質量梁單元和集中質量單元的組合。考慮到基礎的剛度和阻尼，塔架模型可以簡化為如圖1所示的模型[13]。

圖1 塔架基礎簡化模型

將塔架底部法蘭盤單獨分離出來作為一個剛體進行建模，葉輪-機艙總成作為一個集中質量；塔架其他部分離散為無質量梁單元和集中質量單元的組合。底部法蘭盤有2個自由度，分別為方向平動及繞軸方向的轉動。塔架基礎簡化為2個彈簧阻尼系統，其中一個為平動彈簧阻尼系統，其剛度和阻尼分別為h、h；另一個為扭轉彈簧和扭轉阻尼系統，其剛度和阻尼分別t、t。塔架頂部質量，包括機艙、葉輪、發電機等塔頂以上部件的質量[14]均集中加載到塔架頂部集中質量單元上。

1.2 塔架共振

風電機組連續運行在共振范圍附近時，若機組不滿足式(1)和式(2)，則應進行運行振動監測[4]。

式中，R為正常運行范圍內轉子的最大旋轉頻率，0,n為塔架的第階固有頻率。

由塔架及其基礎簡化模型可知，實際機組位置的地質條件差異，會引起基礎剛度發生變化，導致塔架一階彎曲固有頻率相對設置值漂移。因此，結合文獻[3]及設計經驗，將R≥0.901,n作為判定塔架共振的條件，1,n為現場測量值。

2 風電機組預估風速控制

2.1 風電機組基本轉速反饋控制

風電機組的主控制器為轉速扭矩控制器，其轉速反饋控制如圖2[15]所示。由圖2可見，轉速扭矩控制器在額定工況下，追尋葉輪的最優p曲線，最大限度捕獲風能。在額定工況下，其通過變槳動作，調整葉輪氣動力矩，在不同風速下，將轉速穩定在額定轉速附近，實現限制功率的目的。

圖2 風電機組轉速反饋控制

2.2 預估風速控制

為避免葉輪轉速超調量過大，可以使葉輪轉速不進入塔架共振帶，從而避免其共振。在控制策略上可以將強陣風看作干擾，這樣就可以通過補償來抵消這種干擾。而機組風速計受葉輪尾流干擾，其測量結果不可靠且含有變槳系統無法響應的高頻成分，將葉輪轉速作為風速計反饋，則可以避免上述問題。以輸出功率穩定為準則，轉速反饋與預估風速聯合控制如圖3所示。

圖3 轉速反饋與預估風速聯合控制

通過以下3步構建預估風速模塊。

1）氣動扭矩重構

基于功率守恒，將氣動扭矩a重構，

2）預估風速

又q取決于葉尖速比，

由式(3)—式(5)可得a和w的隱函數

3）變槳指令給定

預估風速用于實現額外的變槳，可以優化機組輸出功率，提高機組在突然陣風下的運行品質。目標變槳值是為保持平穩的額定功率。預估風速和葉輪轉速的關系為

3 實例分析

某風電場2 000 kW風電機群頻發塔架加速度報警停機故障和葉輪超速停機故障，經檢查振動報警傳感器，排除了機組誤報警。經過葉片零位等檢查，排除了機組控制系統運行品質問題。現場調研得到風電場值班記錄記載“風速從3.25 m/s瞬間漲到13.53 m/s”，對較突出的13號機組的運行數據進行分析，機組使用預估風速前的運行數據如圖4所示。由圖4a)發現風電場值班記錄屬實，風速變化一般在3 s內完成，且強烈陣風反復發生。這對轉速反饋控制干擾很大，必然引起輪轂轉速超調，且與塔架振動報警特征量（塔架水平正交方向加速度矢量和的模）大幅增加和報警停機相吻合，懷疑塔架共振。

經現場塔架模態測試，塔架一階彎曲固有頻率0.358 Hz，共振帶下沿設定為0.322 Hz，對應1P（葉輪旋轉頻率）激勵的輪轂轉速為19.332 r/min（圖4b)），機組額定轉速為18.9 r/min。由此可知，輪轂轉速在額定工況附近多次進入塔架共振帶，引起塔架共振，導致機組報警停機。由此，采取的治理措施為在額定工況的葉輪轉速反饋控制回路的基礎上，增加預估風速模塊，抑制轉速超調，塔架振動報警故障隨之消失。由此排除了其他故障的可能性。預估風速設計輸入參數見表1。

表1 預估風速設計輸入參數

Tab.1 The design input parameters of the estimated wind speed

4 結 論

1）對某型2 000 kW風力發電機組塔架振動故障進行分析診斷，在機組轉速反饋控制的基礎上，構建了預估風速控制模型，解決了機組塔架振動故障。

2）分析該2 000 kW剛性塔架風電機組表明，強烈反復的陣風引起機組轉速超調變大，使轉速連續停留在共振帶中，是導致塔架共振，引發振動故障的主要原因。

3）預估風速與葉輪轉速反饋聯合控制，可有效減小陣風對傳統轉速反饋控制的干擾，降低轉速超調量，避免塔架共振的發生。

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Resonance analysis and control strategy for wind turbine with rigid tower

LI Yingfeng, TONG Bo, HAN Bin, ZHAO Yong

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

In this paper, the vibration fault of rigid tower of wind turbine is diagnosed and treated. On the basis of dynamic model of the rigid tower of wind turbine, the conditions for judging the resonance of the rigid tower are determined, the reasons of the tower resonance caused by overshoot of rotating speed induced by gust are analyzed, and an optimization method for predicting the wind speed control is put forward, which takes the stable power output as the aim and rotor as a ‘anemometer’, on the basis of feedback control of rotation speed of the impeller. Moreover, this method is applied to analyze the vibration fault of a rigid tower of a 2 000 kW wind turbine, and the results show that, the combined control of impeller speed feedback and estimated wind speed can effectively reduce the overshoot of impeller speed caused by gust, avoid the resonance of rigid tower of the unit, and the effect is remarkable.

wind turbine unit, rigid tower, tower resonance, gust, speed overshoot, estimated wind speed, rotor speed feedback

TK83

B

10.19666/j.rlfd.201904081

李穎峰, 童博, 韓斌, 等. 風電機組剛性塔架共振分析及其控制策略[J]. 熱力發電, 2019, 48(7): 122-125. LI Yingfeng, TONG Bo, HAN Bin, et al. Resonance analysis and control strategy for wind turbine with rigid tower[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(7): 122-125.

2019-04-13

西安熱工研究院有限公司科技項目(TM-19-TYK01)

Supported by：Science and Technology Project of Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd. (TM-19-TYK01)

李穎峰(1979—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為風力發電系統分析、狀態監測及故障診斷等，liyingfeng@tpri.com.cn。

（責任編輯 杜亞勤）