小型風力機動態偏航平臺應用與塔筒振動試驗

張 杲， 汪建文，2， 米兆國， 趙元星

（1.內蒙古工業大學 能源與動力工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051； 2.風能太陽能利用技術教育部重點實驗室（內蒙古工業大學）， 內蒙古 呼和浩特 010051）

0 前言

作為新能源， 風能在保護環境方面具有重要作用。 在早期國內小型風力機研究中，采用CFD等數值模擬技術研究居多，且多為定常工況。 王梟[1]利用數值模擬技術對動態偏航下的工況進行研究， 但缺少實驗數據對動態入流條件下的風力機相關結論進行支持。 周文平[2]采用三維非穩態CFD 方法對風力機動態失速特性進行分析，同時得出偏航條件下， 動態失速現象會增加葉片動態負荷的結論。 蔣祥增[3]研究了風輪與塔架之間的動態特性， 得出了風輪上旋轉基頻及葉片上對稱與反對稱頻率在塔筒上振動相關的結論。Cheng Z[4]對垂直軸風力機的氣動特性做了相關研究， 并得出相關翼型優化結論。 陳濤[5]利用B&K 振動測試技術對小型風力機塔架的橫向、 軸向振動進行分析，并得出相關實驗結論。 石磊[6]利用 GH Bladed對風力發電機組進行模擬仿真， 提出協同控制功率與載荷的風力發電機組偏航系統控制策略，有效控制了偏航軸承的極限載荷， 提高了風力發電機的發電量。 凌新梅[7]設計出了一種基于模型預測的新型偏航控制策略，該模型包括電流環、速度環和位置環的三閉環偏航控制系統， 采用該模型預測偏航效果較好。 曹弘[8]通過仿真模糊控制偏航重啟對風策略，在總偏航次數不變的前提下，增加功率增長較快的中風速區間發生偏航的次數，從而保持較高功率輸出。 葉昭良[9]采用數值模擬方法， 在風向非定常變化的條件下， 對風輪的功率、推力系數等進行分析，并得出風輪整體載荷隨著偏航角度的增加而逐漸減小、 氣動力系數變化波動更大等規律； 同時得出關于動態偏航下流場尾跡出現速度延遲、寬度逐漸增加等結論。

目前，國內外小型風力機相關研究中，多采用CFD 等數值模擬軟件通過UDF 編譯來模擬風速、風向同時變化等動態偏航下的實驗工況。 實驗多為靜態偏航，既先固定風力機偏航角度，再進行側風條件下的風力機實驗，無法達到風速、風向同時變化，與自然風的變化有一定的差距。本文采用的裝有動態偏航平臺的小型風力機， 在有直流風的條件下可以實現風速、 風向同時變化的動態入流條件[10]，[11]。

1 工作原理與平臺結構

1.1 工作原理

小型風力機動態偏航平臺工作環境為帶變頻器可調節風速直流風洞內， 通過四軸控制器輸出脈沖信號到帶驅動器的高慣量伺服電機， 進而改變偏航平臺水平轉動， 最終實現動態偏航平臺上的風力機受到風速、風向同時變化的入流風。動態偏航平臺的工作流程如圖1 所示。

圖1 動態偏航平臺工作流程圖Fig.1 Platform flowchart

1.2 平臺結構與工作過程

該平臺主要由變電模塊、控制模塊、偏航平臺模塊組成。 變電模塊負責為整套裝置提供穩態電流。 控制模塊通過將變電模塊提供的電信號轉為脈沖信號提供給帶驅動器的伺服電機， 進而改變偏航平臺的轉動。偏航平臺模塊包括旋轉平臺、底座和小型風力機。

1.3 平臺涉及的裝置及主要參數

小型風力機動態偏航平臺主要涉及的裝置及技術參數、外形尺寸如表1 所示。

表1 主要技術參數和外形尺寸Table 1 Main technical parameters and dimensions

2 主體部件設計

2.1 電機功率選型計算

為滿足旋轉臺與實驗工況基本要求， 考慮到市場上現有旋轉臺型號與自身風力機重量和相關經驗系數，以及電機最大轉速等參數的匹配，平臺參數如表2 所示。

表2 平臺規格Table 2 Platform specification

電機軸端等效慣量為

式中：J1為旋轉臺轉動慣量，N·cm2；J2為風力機轉動慣量，kg·m2；J3為減速比。

由表2 可知： 電機軸端等效慣量為1.8×10-4kg·m2；該平臺穩定最大旋轉速度為 60 °/s，加速過程中角加速度恒定為∈，行程為3°；計算所得電機功率為770 W。根據經驗數值，計算所得設計功率需小于電機額定功率的0.8 倍。 因實際工況中不同風載荷下對風力機葉片所產生的氣動力影響很大，故設計功率小于額定功率0.3 倍，因此，本電機的額定功率為3 kW，相關主要計算公式為

式中：θ，θ1分別為電機、 旋轉臺的行程度數，rad；ω，ω1分別為電機、 旋轉臺的旋轉速度；ε 為角加速度，rad/s2；T 為轉矩，N·m；η 為滿載效率。

2.2 平臺底座設計

平臺（圖2）底座外形近似為四棱臺，棱臺上底板為邊長260 mm 的正方形鋼板，厚度為16 mm；平臺下底板為寬500 mm，長600 mm 的矩形鋼板，厚度為16 mm。 上底板進行攻絲打孔與旋轉臺采用螺絲連接，在下底板四周進行打孔，留出固定螺栓位置，四周采用梯形鋼板進行焊接。

圖2 平臺底座設計與實物圖Fig.2 Platform base design and physical drawing

3 測試方案及結果分析

3.1 測試設備

實驗在內蒙古工業大學風能太陽能利用技術教育部重點實驗室中進行， 在低速直流風洞開口端進行小型風力機動態偏航平臺下的塔筒模態振動測試。 研究對象為裝有塔筒、 旋轉臺和底座的有、無動態偏航平臺的小型風力機，兩者高度均為1.7 m，同時選用新制S 翼型葉片，葉片表面附有玻璃纖維，相比于木質葉片強度更高，風輪直徑為1.4 m。 采用東華振動測試設備對塔架振動信號進行采集和分析，該套設備還包括收集單向、三向加速度信號的傳感器， 采集的振動頻率為0～400 Hz。 通過NORMA5000 高精度功率分析儀檢測風力機的功率、轉速。

3.2 測試方案

3.2.1 偏航平臺靜模態測試

測試方案包括無風載荷條件和有風載荷條件。 無風載荷的模態測試為測量帶有偏航平臺的小型風力機的固有頻率， 并與無偏航平臺的小型風力機的相關模態參數進行對比分析。 考慮實驗誤差，在有風載荷條件下，通過實驗所對應頻譜圖找出葉片旋轉基頻波峰，并與計算理論值相對比，并以此頻率分析塔筒振動。 加速度傳感器布置于底座，豎直方向2 只，旋轉臺1 只，塔筒5 只。由于本實驗須要測出風力機整體的橫向和軸向振動，故在橫向及軸向均有等量傳感器， 加速度傳感器從下到上共16 只。

3.2.2 偏航平臺動態測試

動態測試主要包括對傳統不加偏航平臺的風力機塔筒振動測試與增加偏航平臺的風力機塔筒振動測試。 在風輪旋轉工況下， 以不同風速v（6，7，8，9 m/s）、不同尖速比 λ（4.5，5.0，5.5，6.0）及增加與非增加偏航平臺兩種風力機共32 種工況，以此分析風力機葉片旋轉基頻下裝有偏航平臺風力機橫向振動和軸向振動動態特性。 以正對來流風方向振動為軸向振動， 垂直來流風向振動為橫向振動。通過控制風洞變頻器進而改變風速，傳感器收集到的振動信號經過數據收集器進入DHDAS 動態信號采集分析系統進行頻譜分析。

3.3 測試結果分析

3.3.1 模態測試結果分析

采用模態力錘法， 對裝有新型偏航平臺的風力機整機和傳統無偏航平臺的風力機整機 （塔筒直接與地面相連接）進行模態參數對比分析。經分析可知：兩者的頻率變化主要集中在一階頻率，有偏航平臺比無偏航平臺一階頻率減少0.695 Hz，相當于一階頻率減小5%；二階、三階頻率變化近似0.1%，可忽略不計。 造成該現象的主要原因是相比較二、三階頻率變化，一階頻率變化最為敏感，且有、無偏航平臺下的風力機塔筒質量發生改變，造成一階頻率的變化更為明顯。 實驗結果見表3。

表3 有、無偏航平臺參數對比Table 3 Comparison of parameters with and without yaw

3.3.2 動態測試結果分析

在實驗中，根據轉速n 與v、風輪半徑R 及λ之間關系λ=πnR/30v 可知，風輪轉速除受風輪自身半徑影響外，主要受v 與λ 影響。 因為是同一副葉片，故不考慮R 的影響。 因本文振動頻率選擇振動最大的旋轉基頻，故由轉速與基頻公式f=n/60 可得不同 v 和 λ 下的旋轉基頻（表 4）。

表4 不同工況下風輪旋轉基頻Table 4 Wind wheel rotation fundamental frequency under different working conditions

對數據分析可知：在v=6 m/s 時，隨著λ 的增加，有、無偏航平臺的風力機塔筒橫向、軸向振動均增加， 其中裝有偏航平臺的風力機塔筒軸向振動、橫向振動均小于無偏航平臺的風力機塔筒，且裝有偏航平臺的風力機塔筒橫向振動大于軸向振動，與無偏航平臺的風力機塔筒振動走勢相同；隨著λ 的增加，有、無偏航平臺的風力機塔筒的相差振動幅度也在增加，且變化明顯[圖3（a），（b）]；在λ 相同的條件下，隨著風速的增加，裝有偏航平臺的風力機塔筒與無偏航平臺的風力機塔筒振動均呈現增加趨勢， 但增加幅度均小于無偏航平臺的風力機；在風速變化的過程中，裝有偏航平臺的風力機塔筒振動工況均小于無偏航平臺的風力機塔筒振動工況，在變風速下，裝有偏航平臺的風力機塔筒振動與無偏航平臺的風力機塔筒橫向振動與軸向振動走勢接近相同[圖3（c），（d）]。

圖3 有、無偏航平臺對塔架振動影響Fig.3 Effect of yaw and no yaw on tower vibration

4 結論

本文對裝有動態偏航平臺的小型風力機塔筒與無偏航平臺的小型風力機塔筒的軸向、 橫向振動進行了分析研究，得到以下結論。

①相比于傳統無偏航平臺的小型風力機，裝有動態偏航平臺的小型風力機塔筒的軸向、 橫向振動更小，在實驗時精度更高。

②在同風速下，隨著尖速比的增加，裝有動態偏航平臺的小型風力機塔筒的軸向、 橫向振動均增加， 但增加幅度明顯小于無偏航平臺的小型風力機塔筒。

③在尖速比相同的條件下，隨著風速的增加，裝有動態偏航平臺的小型風力機塔筒的軸向、橫向振動同時增加，但增加幅度很小。

④裝有動態偏航平臺的小型風力機塔筒的橫向、 軸向振動與無動態偏航平臺的小型風力機塔筒的振動走勢大體相同， 對風力機本身無額外影響。