風電機組偏航系統異響和振動原因分析

文 | 劉冬冬，劉芒種，郭振偉，齊廷中

（作者單位：焦作瑞塞爾盤式制動器有限公司）

在全球能源短缺、環境污染日益嚴重、節能減排要求不斷提高的背景下，風能作為一種可再生能源，成為世界各國能源結構中的重要組成部分。中國風電產業發展模式已從重規模轉換為重質量、重效益；布局也從地廣人稀的西部向中東部及沿海擴展，甚至臨近居民生活區。在此情況下，需要對風電機組存在的共性問題進行研究，以支持其在更多樣、復雜環境中的安全穩定運行。據世界能源理事會（World Energy Council）統計，偏航系統故障在風電機組機械故障中居第四位。其中，偏航系統產生的異響和振動，形成原因復雜，影響廣泛。由異響和振動引發的機艙加速度故障及其他故障，不但降低了機組的可利用率，縮短摩擦片的使用壽命，還造成結構件疲勞，從而影響整機的壽命。此外，由異響產生的噪音污染會影響附近居民的生活。因此，有必要對偏航系統異響和振動問題進行深入研究。

本文主要通過機組實際運行案例及理論相結合的方法對偏航系統異響和振動進行研究，希望所得結論對相關問題的解決有一定參考意義。

表1 風電機組電機參數

表2 風電機組檢測條件

表3 1#、2#和3#風電機組偏航電機電流

實例分析

選取某個風電場具有代表性的3臺風電機組（編號為1#、2#、3#）進行現場測試，風電機組偏航系統電機參數如表1所示，風電機組檢測條件如表2所示。

由JB/T10425.2—2004中表1可知，偏航轉速不大于0.51°/s，因此，本測試將風電機組的實際偏航速度設置為約0.4°/s（偏航運動半徑約為1m，則線速度約為7mm/s）。

一、偏航檢測結果

1#風電機組（本機組摩擦片為新更換）偏航時無異響和振動，整機偏航聲音柔和。偏航電機電流如表3所示，機組電流時域波形如圖1所示。

2#風電機組偏航時劇烈振動，并伴有類似錘擊的響聲。偏航電機電流如表3所示，機組于6秒時開始偏航，電流時域波形如圖2所示，豎直加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為32768）如圖3所示，周向加速度幅頻譜曲線如圖4所示。

3#風電機組偏航時有輕微異響和振動（Ⅱ號偏航電機有較大異響）。偏航電機電流如表3所示，風電機組電流時域波形如圖5所示，豎直加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為2048）如圖6所示，周向加速度幅頻譜曲線（FFT塊長為16384）如圖7所示。

二、偏航對比分析

對比1#、2#和3#風電機組可知，發生異常振動機組的偏航電流比不發生異響和振動機組的偏航電流大。對比2#與3#風電機組可知，發生劇烈異常振動機組的偏航電流比發生輕微異常振動機組的偏航電流大。

由2#和3#風電機組的加速度幅頻譜曲線（圖3、圖4、圖6、圖7）可知，貢獻比較突出（出現較高幅值）的頻率成分分別為 0.3Hz左右、2.8Hz左右、8.8Hz左右、11.5Hz左右，與機艙塔筒耦合條件下偏航仿真結果的幾個典型振型頻率0.44Hz、3.02Hz、8.5Hz、12.1Hz比較接近。偏航系統零部件的振動頻率接近這幾個頻率值時都會引起共振，使得振動加劇。由于風電機組零部件在制造時，質量分布、安裝預緊力等存在誤差，故各機組的振動頻率不會完全相同。

理論分析

分析偏航系統的工作原理可知，制動器產生的摩擦力矩為主要的偏航阻力矩，偏航動作發生時，有如下公式成立：

式中，M0為偏航電機提供的偏航力矩；20為摩擦接觸面數：兩組對稱分布的制動器，每組5個，每個制動器有2片制動襯塊和制動盤相接觸；μ為摩擦系數，此時為靜摩擦系數μ1；p為制動壓力，偏航制動的正常壓力為2.4MPa；A為活塞截面圓的面積；f為活塞和缸體之間的阻力；R為制動接觸面至偏航回轉中心軸線的距離；J為塔筒頂上所有構件繞塔筒中心軸線的轉動慣量；α為機艙、平臺等一起偏航轉動的啟動角加速度，約為0.00174rad/s2。

偏航開始3～6s后，機艙轉動的偏航速度通常約為0.4°/s，此時靜摩擦系數變為動摩擦系數。

當機艙實現勻速轉動時，滿足如下關系：

查詢廠家提供的摩擦系數表可知，靜摩擦系數μ1約為動摩擦系數μ2的2倍，這與“偏航啟動時偏航電機的電流約為偏航穩定時電流2倍”的實際觀測結果一致。

在正常偏航工作壓力下，對于新安裝的一批摩擦片，在磨合初期階段（前3～4周），由于制動襯塊與制動盤未完全貼合，其靜摩擦系數μ1和動摩擦系數μ2都比較小，偏航電機提供的偏航力矩M0很容易滿足公式（1）、（2）。

當磨合期過后，制動襯塊與制動盤完全貼合，其靜摩擦系數μ1'和動摩擦系數μ2'分別大于μ1和μ2。此時偏航，滿足公式（1）所需的偏航力矩M0比磨合初期的大。當制動盤轉動起來以后，靜摩擦系數迅速減小，變為動摩擦系數，偏航阻力矩變小，因而所提供的偏航力矩M0也迅速減小，減小到滿足3M0≤20μ2（p×A-f）R時，制動盤減速轉動。在減速轉動的過程中，制動盤與制動襯塊的相對速度越來越小，動摩擦系數又有向靜摩擦系數轉換的趨勢，偏航阻力矩變大。為克服偏航阻力矩，完成偏航動作，偏航力矩M0再次增大，使制動盤增速轉動，如此往復。

上述分析說明在偏航阻力矩較小時，由于電機很容易克服偏航阻力矩，故不易發生偏航系統的異響和振動，檢測電機電流形態平穩。當偏航阻力矩較大時，由于電機不容易克服偏航阻力矩，電機電流會出現三相不平穩狀態，易發生偏航系統的異響和振動。

實例驗證

通過上文理論分析可知，當偏航阻力矩小時，偏航系統的異響和振動不易發生。現以2#風電機組偏航降壓試驗對該結論進行驗證。

表4 2#風電機組降壓試驗偏航電機電流

對2#風電機組進行偏航降壓試驗，試驗數據如表4所示。從2#風電機組的數據表3和表4可知，在正常偏航工作壓力下，發生較大振動時伴有較大異響的機組，其每臺偏航電機的各相電流均值相差較大，即三相電流不平衡（這也說明了電機的負載在時域里是不穩定的）。偏航聲音柔和的機組，其每臺偏航電機的各相電流均值相差不大，即三相電流平衡（這也說明了電機的負載在時域里是穩定的）。當偏航壓力減小（即偏航阻力矩減小）時，偏航電機電流有變小的趨勢，但是當偏航壓力為0bar時，偏航電機電流為4.27～4.76A，接近偏航壓力為10bar時的電流，這種情況可能是由部分活塞和缸體之間產生卡滯造成的。

通過對比2#風電機組現場降壓偏航試驗數據可知，降壓后異響和振動確有減弱趨勢（現場直觀感受明顯），證實了理論分析結果與實測結果的一致性。

為保證在19～25m/s風速下正常偏航的安全，實例機組采用24bar的偏航壓力，但該壓力對于內陸較低風速3～19m/s來說顯然是過安全的。通過理論分析和實例驗證可知，適當降低偏航壓力能夠減少偏航系統異響和振動的產生。需要說明的是，本文沒有考慮風力對偏航運動的影響。實際上，當風力對偏航起阻力作用時，偏航電流會較大，反之會較小。

結論

本文針對風電機組偏航系統的異響和振動進行了現場實例檢測結果對比分析和偏航系統理論分析，得出的主要結論如下：

（1）偏航時偏航阻力矩的不平穩是造成偏航發生異響和振動的主要原因。

（2）當偏航系統零部件的自激振動頻率接近塔架幾個典型振型的頻率值時，會發生共振，使得異響和振動加劇。

（3）適當降低偏航壓力，能夠減小偏航時產生的異響和振動。