基于外部風況的風電機組振動故障研究

劉 銳，溫 鵬，熊 恒

(1.中國電建集團城市規劃設計研究院有限公司，廣東 廣州 511457；(2.湖南三一智慧新能源設計有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

振動是風電機組在運行中出現的一種較為常見的故障形式，頻繁的振動故障不僅會導致風電機組頻繁停機而損失發電量，還會影響風電機組的安全和壽命，進而影響整個風電場的生產效益。因此，找出風電機組發生振動故障的原因進而規避振動風險顯得至關重要。

對于風電機組振動的研究，姚興佳等[1]研究了主要振動源的動力學方程，對塔架進行了Campell共振圖分析，用有限元分析方法計算出塔架的固有頻率和振型，為機組設計提供了依據；孫建湖等[2]設計了轉矩阻尼濾波控制器，并用Matlab軟件進行仿真驗證，找到了能有效控制塔架振動的方法；任巖等[3]通過對風電場SCADA數據分析發現，與機組振動相關程度較高的因素有風速、風輪轉速、槳距角和發電機轉速；張羽[4]研究發現葉片質量不平衡會造成機艙橫向振動明顯增大，葉片氣動不平衡會造成縱向振動明顯增大。但前人對于機組振動原因的研究主要著眼于風電機組自身或控制方面，較少對機組振動的外部激勵因素[2]進行分析。另外，在項目前期機組安全性復核時，雖然能夠對風電機組全生命周期內的安全性作出評估，卻無法評判出其是否會發生較多的振動故障。

本文通過對風電機組發生振動故障時的幾種不同風況進行分析(已排除機組自身和控制原因導致的振動)，初步找出外部風況、地形與風電機組發生振動故障之間的關系，為風電場微觀選址工作提供指導。

1 典型風電機組振動故障風況研究

1.1 典型機組情況介紹

本文以1號、15號和5號典型風電機組作為研究對象。其中，1號和15號機組分別位于同一風電場的最南部和中部。該風電場位于福建省莆田市仙游縣的西北部山地，海拔800～1 250 m；該風電場安裝有23臺單機功率1.5 MW的低風速機型，風輪直徑89 m，輪轂高度80 m。2014年年底，23臺風電機組全部完成調試并網發電，2016年～2017年機組振動故障頻發，經過廠家分析處理后，2018年1號和15號機組仍發生了較為頻繁的振動故障。5號機組所在的風電場位于湖南省長沙市寧鄉縣境內的山地，海拔600～1 045 m，該風電場安裝有19臺單機功率3.0 MW的低風速機型，風輪直徑146 m，輪轂高度90 m，5號機組在2020年6月15日并網發電，振動故障頻發，導致非計劃損失電量占比較高，發電量遠低于鄰近機組，為解決頻繁振動停機問題，現場人員對5號機組的風速風向儀、振動傳感器進行了檢查、更換，但進入7月，5號機組振動停機故障仍有增無減。

綜合分析，3臺風電機組基本可排除由于機組自身或控制原因導致的振動故障。

1.2 1號機組振動故障風況分析

1號機組在2018年共發生6次振動故障，表1列出了發生振動故障時機艙風速風向儀實測的風速、風向信息。

表1 1號機組2018年振動故障代碼和實測風況

由表1可知：①1號機組均發生的是Y軸方向(平行主軸方向)振動，發生振動故障的時間較為集中，3次發生在2018年9月15日，3次發生在2018年10月30日；②發生振動時風速儀實測風速均在10 m/s以上，風向儀實測風向為東北方向，湍流值基本在0.2以上。

1號機位周邊地形如圖1所示。由圖1可知，1號機位東北方向水平距離780 m處有海拔高出33 m的山包(2號機位附近)，再往前為斜坡(平均坡度25%)。根據空氣動力學理論，此種地形下東北來流風經過爬坡加速到2號機位附近的山頂后氣流上翹并發生分離，在山頂之后一定距離的低層區域氣流下沉并產生回流[5]。受此影響，處于較低海拔的1號機位風速降低，湍流和切變均會增大。

圖1 1號機位東北方向地形情況

采用基于CFD的風資源評估軟件WT對1號、2號機位進行模擬，計算結果如表2所示。

由表2可知：

(1)在東北方向上(45°扇區)，1號機位的平均風速低于2號，1號機位的強風狀態下總體湍流強度和平均風切變均高于2號機位；2號機位處的入流角為正值表示氣流上翹，1號機位處的入流角為負值表示氣流下沉，這些均與理論分析結果一致。

(2)1號機位點在45°扇區的強風狀態下總體湍流強度為0.189，遠高于其他扇區；1號機位點在45°扇區的平均風切變為0.249，也普遍高于其他扇區。這也解釋了為何1號機組發生的6次Y軸方向的振動故障時的風向均為東北風向。

結合1號機組發生振動故障時的實測風況進行分析可知，在高風速、高湍流、高切變來流風的共同作用下，風輪載荷產生了周期性波動[2]導致1號機組發生了Y軸方向的振動故障。

1.3 15號機組振動故障風況分析

15號機組在2017年臺風納沙期間(7月30日)發生5次振動故障，在2018年臺風瑪利亞期間(7月11日)發生7次振動故障，如表3所示。表3還列出了發生振動故障時風速風向儀和15號機位附近山頂處的風功率預測塔實測的風速、風向等信息。

表2 1號、2號機位風資源參數模擬統計值

表3 15號機組振動故障代碼和實測風況

由表3可知：①15號機組在2017年臺風納沙和2018年臺風瑪利亞期間均發生的是Y軸方向(平行主軸方向)振動，在臺風納沙期間發生的振動故障主要集中在東北扇區，在臺風瑪利亞期間發生的振動故障主要集中在西北偏西扇區。②發生振動時風速風向儀實測風速基本在10 m/s以上，湍流值均在0.2以上，與1號機組發生振動故障時的風速、湍流值接近。③對比來看，發生振動故障時風功率預測塔實測風速普遍高于15號機位風速儀所測風速，風功率預測塔湍流值低于15號機位風速風向儀處湍流，相對于風功率預測塔處風向，15號機位風向順時針偏轉了一定角度(平均約18°)。④風功率預測塔在臺風納沙期間的湍流值較大(均在0.18以上)，在臺風瑪利亞期間湍流值較小(在0.12左右)。

15號機位周邊地形如圖2所示。由圖2可知：①15號機位西北偏西方向上水平距離350 m處有海拔高出70 m的山頂，再往前為斜坡(平均坡度14%)，此地形與1號機位東北方向地形類似；而風功率預測塔位于山頂位置，四周開闊無遮擋。根據空氣動力學理論，處于背風坡的15號機位與處于山頂上的風功率預測塔相比，風速降低，湍流增大。這也與表2所列的實測數據基本吻合。②15號機位東北方向上處于懸崖頂端，不受任何遮擋。而15號機位在臺風納沙期間發生振動故障時的湍流之所以也較大，與臺風納沙自身湍流較大有關(處于山頂處的風功率預測塔實際湍流在0.18以上且對臺風風況具有較好的代表性)。

圖2 15號機位周邊地形情況

綜上分析可知，臺風下的高風速和高湍流是造成15號機組發生Y軸方向振動故障的主要原因。

1.4 5號機組振動故障風況分析

由于5號機組在2020年7月發生振動故障的次數較多且情況相似(風向和風速區間相似的Y軸方向振動)，以7月6日發生的振動故障為代表，表4列出其發生振動故障時風況信息。由表4可知：①5號機組發生振動故障時機艙風速儀所測風速普遍較低，即機組在剛切入時就發生了振動故障而待命或停機；②由于5號機組未進行機艙對北標定，無法獲悉5號機組在某一時刻的對北風向，參考附近風功率預測塔(5號機位東北方向約350 m處)的實測風向和地形情況大致可判斷5號機組發生振動故障時的風向為南～西南。

5號機位周邊地形如圖3所示。由圖3可知，5號機位南～西南方位水平距離300 m左右處受海拔高出60 m左右的山脊遮擋，山脊再往前為陡峭的山坡(平均坡度6%～31%)，此地形與1號機位較為類似，不同之處在于風爬坡的坡度更大，機位點受山體遮擋范圍更大也更為嚴重。受此影響，在西南風向下，5號機位與山脊上的機位相比，風速將急劇減小，湍流和切變將急劇增大。

采用WT軟件對5號機位及山脊最高處的6號機位進行風資源仿真，結果如表5所示。

由表5可知：

表4 5號機組在2020年7月6日的振動故障信息

圖3 5號機位周邊地形情況

(1)在南～西南(180°～247.5°)扇區，5號機位處的風速明顯低于6號機位，平均風切變和湍流值均遠高于6號機位，6號機位處的入流角為正值表示氣流上翹，5號機位處的入流角為負值表示氣流下沉，這些均與理論分析結果一致。

(2)5號機位在南～西南(180°～247.5°)扇區的平均風切變和湍流值明顯高于其他扇區，且扇區所受遮擋越嚴重，平均風切變也越大。

(3)對比1號機位，5號機位在受遮擋扇區的平均風切變和湍流值遠遠高于1號機位(1號機位45°扇區的平均風切變為0.249，45°扇區風速6 m/s時的總體湍流強度為0.201)，因此可推測低風速下具有高湍流和更高切變的復雜風況作用于5號機組葉輪上引起載荷周期性波動而發生振動。

表5 5號、6號機位風況仿真結果

表6 典型機位特定扇區地形參數及風況參數

2 典型機位分析匯總及地形研究

通過對以上3臺機組發生振動故障時的風況進行分析可知，風速、湍流和切變是引發機組振動的最主要的外部激勵因素，主要為2種組合：①高風速(10 m/s以上)+高湍流(0.2以上)；②低風速(一般為3 m/s以上、10 m/s以下)+高湍流(0.2以上)+超高切變(0.45以上)。除特殊的臺風風況或受機組尾流影響較大外，3臺機位均位于背風坡是造成以上2種組合風況出現的主要原因。表6列出了以上3臺機位點特定扇區地形參數和仿真得到的風況參數。

由表6可知：

(1)γ值越大，平均風切變和環境湍流值一般也越大。即γ值越大，來流風在迎風坡加速后越容易在山頂處發生流體分離，并在背風坡的低層區域產生回流效應。

(2)從實際情況來看，γ>17°時，機組均發生了振動故障，即γ=17°為氣流產生分離和回流效應的臨界值，這與經典空氣動力學理論一致[6]；而當γ>21°以上時，機組在低風速下也易產生振動故障。

(3)5號機組在180°扇區的環境湍流并不大，而總體湍流達到0.2以上，原因是其受到上風向8號機組的尾流影響較大而帶來較大的附加湍流，即5號發生振動的主要原因是高風速下受其上風向的風機尾流影響較大引起的。

3 結 論

通過對以上典型機組發生振動故障時的風況和地形進行研究，得到如下結論：

(1)機組發生平行主軸方向振動時的來流風主要有2種風況特征：一種是高風速(10 m/s以上)+高湍流(0.2以上)組合，另一種是低風速(一般為3 m/s以上、10 m/s以下)+高湍流(0.2以上)+超高切變(0.45以上)組合。

(2)機組容易發生平行主軸方向振動故障的地形特征：當17°≤γ<21°時，機組容易在高風速下發生振動故障；當γ≥21°時，機組在低風速下即發生振動故障。

(3)特殊的臺風風況或較大的尾流影響也可能造成機組發生高風速下的平行主軸方向振動故障。

(4)在風電場微觀選址中，為避免機組振動故障頻發，在主風向和次主風向扇區，γ>21°的點位盡量不要采用；在主風能和次主風能扇區或臺風頻發風向上，γ>17°的點位盡量不要采用；另外需避免采用受風機尾流影響較大的點位。