兆瓦級風力發電機振動檢測與保護實現

楊鶴立

(東方電氣風電有限公司，四川 德陽 618000)

0 引言

兆瓦級風力發電機是剛柔組合的多體系統，隨著風力機組額定功率的增加，葉片的剛度越來越小，對其控制精度的要求也更高。當風機葉片在風作用下繞中心軸轉動運行時，作用在風力機上的空氣動力、慣性力和彈性力等交變載荷，使得葉片產生變形導致其轉動慣量與分布質量發生改變，系統產生變形或振動，影響風力機的正常生產運行，嚴重時會導致風力發電機組設備事故。因此設計階段應分析可能的諧振問題和引起諧振的運行區域，風輪、塔架、機械傳動鏈的固有頻率不能太接近，同時它們和激勵源的頻率也不可太接近，從而規避振動現象。大型變速機組的振動問題主要集中在4個方面:①風輪的氣動效應。②受到氣動效應和電氣特性的激勵引起的風力發電機傳動鏈的扭曲振動。③偏航運動引起的滑移振動。④風輪-塔架耦合的整機振動。這幾個振動源會相互影響相互作用，我們可以把四大振源簡化成一個振動復擺模型來分析[1-2]。

1 風力發電機的振動數學模型及振動表現

風力發電機振動方式類似于物理中復擺的形式，復擺是剛體(機艙)繞固定的水平軸(塔筒)在重力的作用下作微小擺動的動力運動體系。擺動過程中機艙受到重力和傳動鏈的回傳慣量的反作用力，而回傳慣量的力矩起著回復力矩的作用；如此反復動作構成了機艙在一定頻率下的振動。機組的振動主要還是受到轉動慣量Jr的影響。

(1)

式中Ω為風輪轉動角速度，Tr為風輪吸收的動力矩，Td為傳動鏈阻力矩，v為齒輪箱傳動比倒數，Tm為高速軸力矩。由式(1)低速軸傳動鏈動力學方程可以看出，風輪吸收的轉矩、齒輪箱齒數比、風輪轉速、高速軸發電機力矩都是影響風機振動的因素。其主要表現形式分為[3]：

1)在傳動鏈轉矩Tm、阻力矩Td所對應的振動：傳動鏈一般包括主軸、主軸軸承、主軸軸承座、齒輪箱、齒輪箱支撐座、聯軸器和高速軸制動器等部件，長時間的頻繁振動將帶來低、高速軸軸承滾動面的磨損，滾珠變形；振動也帶來齒輪箱內部齒間嚙合不到位產生打齒及磨齒現象，造成齒輪箱傳動失效。

2)風輪轉速Ω周期性運動引起的塔架-風輪振動耦合使得塔筒與葉輪產生共振，塔筒螺栓承受振動力方向上的疲勞載荷；小風情況下轉速不能快速提升，共振持續作用在塔筒鏈接螺栓的螺桿面上將會造成螺栓斷裂，嚴重的會造成倒塔事故。

3)Td所對應的偏航振動：機組在對風過程中執行偏航動作，偏航制動力產生與傳動鏈轉矩相反的偏航阻力矩，超標的偏航振動值將加速偏航軸承的磨損。偏航傳動齒之間的嚙合在劇烈振動下會產生鐵屑，長時間將會導致偏航傳動失效。

4)Td所對應的葉片振動： 葉輪葉片在空氣中的湍流作用，導致每只葉片受力不均；葉輪在旋轉過程中所承受的升阻比達不到設定值，引起葉片的擺振。嚴重時會造成葉片連接螺栓的斷裂。

由此可以得出：當風力發電機組振動無法有效控制將會影響機組的正常運行，嚴重的會發生安全事故。即要確保證風力發電機的安全又要使得機組能穩定發電，那么機組的振動數據檢測、采集、分析環節及監控保護動作邏輯將必不可少。故傳感器測量數據的準確性與振動的安全保護顯得尤為重要。

2 振動傳感器工作原理及軟硬件構成

2.1 傳感器工作原理介紹

振動傳感器采用三維加速度傳感器，數據處理采用DSP，監控保護采用巴赫曼PLC MX312加看門狗電路，實現振動傳感器在232通信傳輸與看門狗通路的雙回路監控保護。由于振動類似于擺振，故選取傳感器的數據采集物理量為振動加速度a，采用壓電式傳感器采集。由沖量公式可知加速度a受到風機吸收的轉動慣量影響。轉動慣量Jr包含了機組的的四大主要振動源，因而選取線性變量加速度a作為測量值是滿足監控保護要求的；通過檢測到的a值反應出機組的振動頻率f，當f超過門限值主控采取保護動作[4]。

2.2 振動傳感器主要硬件結構

1)MEMS加速度傳感器：由多晶硅和差動電容組成，多晶硅又指壓電晶體。晶體厚度受到加速度沖量作用產生變化，輸出電壓相應變化，a與輸出電壓v成正比。在此測量電路為4路輸入，可任意分配給內部傳感器及外部傳感器，實現三維空間0°～360°X，Y，Z三坐標范圍的振動測量。因為所有的振動可以在矢量上合計簡化為一個單擺模型，為此只需要選取一個振動檢測傳感器安裝在傳動鏈齒輪箱彈性支撐架上便可實現整個機組在三維空間上各方向任意振源的疊加檢測。

2)濾波及測量電路：考慮到不同的振源產生的不同振動頻率及方向，選取3個Main濾波器分配給3路加速度傳感器通道及其組合，實現X，Y，Z三維空間范圍內振動信號濾波。這里采用IIR高通濾波器與II低通濾波器的組合形成帶通濾波，其截止頻率0～35 Hz可配置。監測量程0～40 m/s2可配置，測量取有效值、峰值或峰峰值。

3)DSP處理單元：DSP處理器采用TI公司的2812型處理器。主要由控制單元和信號輸入輸出單元組成。

4)看門狗回路：選擇小型功率繼電器與處理器之間加裝三極管組成。當出現報警信號時處理器輸出為零三極管導通截止，看門狗回路輸出為零；主控接收低電平信號輸出報警啟動保護，看門狗電路中斷屬于緊急制動停機狀態，處于最高一級報警；主要監控在頻域振動超限信號，對應信號時間極短。

2.3 軟件設計

軟件主要包括：①傳感器自檢模塊，實現上電初始化自檢及數據監控。②DSP數據處理模塊，包含A/D轉換、數據存儲和門限值判斷。③看門狗輸出模塊，實現數據報警的制動控制。④通信模塊，完成與上位機的數據交換、振動報警數據篩選和數據顯示。

圖1 振動檢測模塊的主程序流程圖

圖1是檢測器件軟件控制邏輯，系統上電先完成各硬件電路的初始化，存儲器清零及系統自檢。經過加速度傳感器的數據輸出，完成不可濾波干擾信號的辨別，遇到干擾則重新采集信號；無干擾則進入加速度電信號的帶通濾波處理，之后完成A/D轉換，并由CPU判斷加速信號是否達到振動門限；超過門限則由看門狗硬保護電路實現停機保護動作。未達到則通過RS232傳遞信號至主控PLC，由PLC判斷是否執行停機命令或采取振動規避動作；同時檢測信號進入循環測量狀態對機組振動實時檢測。

3 機組振保護動作實現

PLC主控也可以通過所接收到的振動幅值和加速度值作用時間來判斷是否需要執行停機保護制動或振動規避動作。機組出現保護動作的觸發條件為：看門狗回路中斷或振動通信發送設定的停機門限值[7]。

1)看門狗中斷：看門狗回路的輸入由DSP處理器內部繼電器輸出電路決定。當DPS在設定的極短時間內讀取到到振動檢測值大于預警值，立即啟動內部繼電器輸出電路斷開；主控單元24 V輸入電壓信號消失，觸發緊急停機保護命令。此項觸發對應的作用時間極短，時間上不連續，主要是在頻域下進行的數據分析。

2)振動通信發送停機門限值：信號作用時間長且持續，振動傳感器在連續時間內輸出的振動信號達到了門限值，由PLC根據設定的算法采取相應的命令。除停機以外的其他規避執行主要分為3類：①通過控制算法的優化避開振動頻率帶，如優化驅動鏈的轉矩阻尼。②機組的扇區管理。③葉片角度的調節降低不平衡轉動慣量。

4 結語

本文從風力發電機振動原因闡述了風力發電機的力學振動模型，歸納分析了風機的主要四大振動源；揭示了振動對風電機組安全運行所帶來的危害及振動監控保護的必要性。同時基于DSP處理器設計了振動檢測傳感器；分析并設計振動監控保護模塊，進而實現了風力發電機組振動監測系統。隨著新技術的發展和新算法(如人工智能)的開發，后續必將出現更加精準的檢測器件和更加合理的監控保護系統以確保風電機組的安全運行。