風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)及模態(tài)分析

趙 艷，楊 哲，李曉露

(1.洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023；2.河南省裝配式建筑結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，河南 洛陽(yáng) 471023；3.河南省新型土木工程結(jié)構(gòu)國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023)

21世紀(jì)以來(lái)，化石能源導(dǎo)致的環(huán)境污染和全球變暖問(wèn)題日益嚴(yán)重，可再生能源受到廣泛關(guān)注。風(fēng)能取之不盡、用之不竭、無(wú)污染、蘊(yùn)藏量豐富、分布廣泛，得到了快速發(fā)展和利用。作為一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，風(fēng)力機(jī)振動(dòng)響應(yīng)的大小取決于外加荷載的振幅、環(huán)境激勵(lì)頻率與基本固有頻率的接近程度(共振)以及阻尼比。共振放大了風(fēng)力機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，造成應(yīng)力幅值增大和加速疲勞，降低風(fēng)力機(jī)的壽命[1]。目前的設(shè)計(jì)策略是保持第一固有頻率遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)頻率1 P和過(guò)槳頻率3 P范圍10%以上，以避免共振[2]。由于風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及系統(tǒng)的固有頻率在壽命周期內(nèi)各種影響而發(fā)生變化，很難確定系統(tǒng)的固有頻率。此外，風(fēng)力機(jī)是輕阻尼結(jié)構(gòu)，阻尼的良好估計(jì)是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的關(guān)鍵。陸上風(fēng)力機(jī)的阻尼主要由結(jié)構(gòu)阻尼和氣動(dòng)阻尼組成。氣動(dòng)阻尼主要由旋轉(zhuǎn)葉片與風(fēng)的相互作用產(chǎn)生，對(duì)整體阻尼的貢獻(xiàn)最大，它依賴于風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、特征頻率、幾何條件和葉輪周圍的來(lái)流種類等，如果綜合考慮這些因素，很難預(yù)測(cè)氣動(dòng)阻尼。結(jié)構(gòu)阻尼取決于材料的類型和接觸表面的類型。結(jié)構(gòu)阻尼比的典型值為0.2%～1.5%[3]，不同的塔架形式和連接類型導(dǎo)致不同的阻尼比。風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)，順風(fēng)向和橫風(fēng)向的阻尼比分別在1%和1.5%附近，兩個(gè)方向的阻尼比一致性好[4]。風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，氣動(dòng)阻尼比主要作用在順風(fēng)向上，阻尼比的變化范圍為2%～8%[5-6]。對(duì)現(xiàn)有風(fēng)力機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，是研究模態(tài)參數(shù)(即自振頻率、阻尼比等)的重要手段。本文基于對(duì)1.5 MW風(fēng)力機(jī)的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了不同風(fēng)況和運(yùn)行條件下固有頻率和阻尼比的變化規(guī)律。

1 模態(tài)分析方法

基于監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識(shí)別方法主要有兩大類：基于輸入輸出的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法(Experiment Modal Analysis，EMA)、基于環(huán)境激勵(lì)的、僅有輸出響應(yīng)的運(yùn)行模態(tài)分析方法(Operational Modal Analysis，OMA)。試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析法通過(guò)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受控激勵(lì)(使用振動(dòng)篩或沖擊錘)并測(cè)量結(jié)構(gòu)對(duì)這些力的響應(yīng)(通常通過(guò)加速度計(jì))，基于計(jì)算的頻率響應(yīng)函數(shù)，提取結(jié)構(gòu)的模態(tài)模型(即模態(tài)頻率、阻尼比及振型等)。對(duì)于高層建筑、橋梁、風(fēng)力機(jī)等結(jié)構(gòu)，由于很難測(cè)量風(fēng)、浪、雨、交通等輸入荷載，應(yīng)用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法來(lái)識(shí)別模態(tài)參數(shù)是很困難的。因此，開發(fā)了運(yùn)行模態(tài)分析法，它依靠環(huán)境荷載激勵(lì)結(jié)構(gòu)，僅通過(guò)測(cè)量結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)(即輸出)來(lái)獲得表征結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的模態(tài)參數(shù)。

常用的運(yùn)行模態(tài)分析方法包含：峰值拾取法(Peak Picking，PP)、頻域分解法(Frequency Domain Decomposition，F(xiàn)DD)、隨機(jī)減量法、自然激勵(lì)技術(shù)(Natural Excitation Technique，NExT)、隨機(jī)子空間法(Stochastic Subspace Identification，SSI)[7-8]。隨機(jī)子空間法使用穩(wěn)定圖來(lái)輔助選取模態(tài)參數(shù)，它概念清晰、假定較少、識(shí)別精度高，在工程界的應(yīng)用很多。SSI算法的具體運(yùn)算流程如圖1所示。

圖1 基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的SSI運(yùn)算流程

圖1中：Y0，2i-1的第1個(gè)下標(biāo)表示Hankel矩陣左上角元素的時(shí)間序數(shù)，第2個(gè)下標(biāo)表示左下角元素的時(shí)間序數(shù)；yi為時(shí)刻i測(cè)點(diǎn)的響應(yīng)；j為離散的采集點(diǎn)數(shù)，一般假定j→+∞，但在實(shí)際測(cè)量中j不可能是無(wú)限大的，采集時(shí)間應(yīng)盡量長(zhǎng)一些；Yp、Yf分別表示“過(guò)去”、“將來(lái)”的輸出；Qi為投影矩陣；U、V為正交矩陣；S為奇異值組成的對(duì)角矩陣；Γi、Xi分別為可觀矩陣、卡爾曼濾波狀態(tài)序列。

2 風(fēng)力機(jī)監(jiān)測(cè)概況

本次監(jiān)測(cè)的1.5 MW風(fēng)力機(jī)位于某沿海風(fēng)電場(chǎng)，塔架高度為70 m，葉輪直徑為82 m，額定風(fēng)速為11 m/s，切入風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為3 m/s和22 m/s，額定轉(zhuǎn)速為17.3 r/min，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為9 r/min。

風(fēng)力機(jī)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)連續(xù)記錄了風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行期間的環(huán)境和運(yùn)行數(shù)據(jù)，采樣頻率為1/7 Hz。風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)響應(yīng)數(shù)據(jù)由安裝在塔架內(nèi)壁上的低頻測(cè)振雙軸速度計(jì)實(shí)時(shí)采集(分別采集切向和徑向的振動(dòng)速度)，安裝高度為66 m，具體安裝方位如圖2所示，采樣頻率為16 Hz。該速度計(jì)具有體積小、重量輕、使用方便、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大等特點(diǎn)，采用無(wú)源閉環(huán)伺服技術(shù)，以獲得良好的超低頻特性。數(shù)據(jù)采集采用G01NET-0型數(shù)據(jù)采集儀，該采集儀帶有高精度、高倍數(shù)的放大器。把傳感器連接到放大器的輸入端，把放大器的輸出端連接到采集儀的輸入端，每10 min采集一個(gè)振動(dòng)數(shù)據(jù)文本并保存。

3 風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)運(yùn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別

采用SSI方法識(shí)別不同風(fēng)況下風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的自振頻率和阻尼比，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了討論。

3.1 大風(fēng)速啟停機(jī)工況

風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)和振動(dòng)速度時(shí)程如圖3所示。選取了40 min的數(shù)據(jù)，大致可以分為3個(gè)階段。第1階段包含前2個(gè)10 min數(shù)據(jù)，為正常運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)速在17.5 m/s附近，槳距角在10～20°范圍內(nèi)波動(dòng)，在大于額定風(fēng)速11 m/s后，風(fēng)力機(jī)會(huì)不斷調(diào)整葉片槳距角，以使葉輪的旋轉(zhuǎn)速度保持額定轉(zhuǎn)速17.3 r/min，確保輸出功率最大且穩(wěn)定，此時(shí)的振動(dòng)速度在-0.17～0.17 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)。風(fēng)速超過(guò)切出風(fēng)速22 m/s，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入了第2個(gè)階段，即停機(jī)狀態(tài)(第3個(gè)10 min時(shí)段)，轉(zhuǎn)速基本為0，為防止風(fēng)力機(jī)上作用的風(fēng)荷載過(guò)大產(chǎn)生損壞，葉片通常會(huì)順槳以保證自身的安全(即槳距角在87.5°附近)，此時(shí)作用于結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載有所減小，振動(dòng)速度也比額定轉(zhuǎn)速時(shí)的要稍小一些。有幾個(gè)較大的幅值點(diǎn)，是因?yàn)轱L(fēng)力機(jī)停機(jī)后，偏航系統(tǒng)不再追蹤風(fēng)向的變化，若風(fēng)向變化，則會(huì)引起的振動(dòng)幅值的增大。平均風(fēng)速小于22 m/s后，風(fēng)力機(jī)重新啟動(dòng)開始發(fā)電，即第3階段(最后一個(gè)10 min時(shí)段)，此時(shí)槳距角在10～20°范圍內(nèi)調(diào)整，以使轉(zhuǎn)速維持在17.3 r/min，由于平均風(fēng)速較大，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度仍在-0.17～0.17 m/s范圍內(nèi)波動(dòng)。

(a)監(jiān)測(cè)高度 (b)安裝位置

(a)風(fēng)速 (b)轉(zhuǎn)速

(c)槳距角 (d)振動(dòng)速度

大風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和模態(tài)參數(shù)如表2所示，給出了大風(fēng)速停機(jī)中4個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的一階自振頻率和阻尼比的值。一階自振頻率變化較小，基本在0.43 Hz附近。風(fēng)力機(jī)在大風(fēng)速運(yùn)行時(shí)，振動(dòng)速度很大，阻尼比也較大。大風(fēng)速停機(jī)時(shí)，振動(dòng)速度很小，阻尼比也很小，因?yàn)橥C(jī)時(shí)氣動(dòng)阻尼比可以忽略，可近似認(rèn)為此值為結(jié)構(gòu)阻尼比。

表2 大風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和模態(tài)參數(shù)

基于SSI算法得到的穩(wěn)定圖如圖4所示，停機(jī)狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)均只給出了一個(gè)代表時(shí)段的穩(wěn)定圖。紅色圓點(diǎn)為穩(wěn)定模態(tài)，綠色三角為不穩(wěn)定模態(tài)，棕色菱形為噪聲模態(tài)。穩(wěn)定圖中識(shí)別出來(lái)的所有自振頻率和阻尼比如表3所示，表格中的“—”表示該階模態(tài)沒(méi)有被識(shí)別出?？梢钥吹?，這幾個(gè)時(shí)段均可以識(shí)別出0.43 Hz和0.86 Hz附近的頻率。

(a)大風(fēng)速運(yùn)行工況，平均風(fēng)速18.61m/s (b)大風(fēng)速停機(jī)工況，平均風(fēng)速16.16m/s

表3 基于SSI算法識(shí)別出的所有自振頻率和阻尼比的匯總表

3.2 小風(fēng)速啟停機(jī)工況

小風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和振動(dòng)速度時(shí)程如圖5所示。由于16：30—16：39時(shí)段的振動(dòng)速度沒(méi)有被記錄到，為了保證運(yùn)行數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)的一一對(duì)應(yīng)，相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)也應(yīng)刪除，大致可以分為3個(gè)階段。第1階段為15：28—15：43，在停機(jī)之前，風(fēng)速和轉(zhuǎn)速都很小，平均風(fēng)速在1.01 m/s附近，轉(zhuǎn)速在6～9 r/min范圍內(nèi)，槳距角為0°，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度也很小，基本在-0.05～0.05 m/s范圍內(nèi)。第2階段為15：43—16：58，風(fēng)速小于切入風(fēng)速3 m/s，風(fēng)力機(jī)很快停機(jī)，轉(zhuǎn)速迅速降到0 r/min，槳距角為90°附近，風(fēng)力機(jī)為停機(jī)狀態(tài)，在停機(jī)程序完成后且無(wú)故障時(shí)風(fēng)力機(jī)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)風(fēng)力機(jī)慢速運(yùn)轉(zhuǎn)且無(wú)功率輸出，葉輪轉(zhuǎn)速為0～3 r/min，槳距角在50°附近，葉輪剎車釋放，以便當(dāng)風(fēng)速大于3 m/s時(shí)，風(fēng)力機(jī)可以快速投入運(yùn)行發(fā)電。這個(gè)階段風(fēng)力機(jī)的振動(dòng)速度基本為0。第3階段為16：58—17：10 ，在風(fēng)速大于3 m/s后，風(fēng)力機(jī)啟動(dòng)，進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)風(fēng)速在4.5 m/s附近，轉(zhuǎn)速為10 r/min，槳距角降到0°，以使葉輪迎風(fēng)面積最大，產(chǎn)生更多的風(fēng)能。因?yàn)榈?階段的風(fēng)速較第1階段要大，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)速度也比第1階段大，在-0.1～0.1 m/s范圍內(nèi)。

(a)風(fēng)速 (b)轉(zhuǎn)速

(c)槳距角 (d)振動(dòng)速度

小風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和模態(tài)參數(shù)如表4所示，給出了小風(fēng)速停機(jī)中9個(gè)時(shí)段對(duì)應(yīng)的平均風(fēng)速、平均轉(zhuǎn)速、平均槳距角以及一階自振頻率和阻尼比的值。一階自振頻率的變化不大，均在0.425 Hz附近變化。風(fēng)力機(jī)小風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的一階阻尼比較大，為1.655%和1.717%，但要比大風(fēng)速運(yùn)行時(shí)的阻尼比小。風(fēng)力機(jī)完全停機(jī)時(shí)的一階阻尼比很小，和大風(fēng)速停機(jī)時(shí)的阻尼比相差不大，為結(jié)構(gòu)阻尼。與表2相比，風(fēng)速越大，一階阻尼比越大，停機(jī)后的阻尼比均很小。

表4 小風(fēng)速啟停機(jī)時(shí)風(fēng)力機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和模態(tài)參數(shù)

應(yīng)用SSI算法計(jì)算得到的小風(fēng)速時(shí)段穩(wěn)定圖如圖6所示。紅色圓點(diǎn)為穩(wěn)定模態(tài)，綠色三角為不穩(wěn)定模態(tài)，棕色菱形為噪聲模態(tài)。穩(wěn)定圖中識(shí)別出的自振頻率和阻尼比如表5所示，表格中的“—”表示該階模態(tài)沒(méi)有被識(shí)別出。限于篇幅，圖6和表5均只在3個(gè)階段各選擇一個(gè)代表時(shí)段來(lái)展示詳細(xì)的模態(tài)信息。3個(gè)階段均能識(shí)別0.425 Hz、0.66 Hz、0.871 Hz附近的頻率。

(a)小風(fēng)速運(yùn)行工況，平均風(fēng)速0.92 m/s (b)小風(fēng)速停機(jī)工況，平均風(fēng)速0.87 m/s

(c)小風(fēng)速運(yùn)行工況，平均風(fēng)速4.51 m/s

表5 基于SSI算法識(shí)別出的所有自振頻率和阻尼比的匯總表

4 結(jié) 語(yǔ)

風(fēng)力機(jī)一階自振頻率的值均在0.43 Hz附近變化，受不同工況的影響并不顯著；風(fēng)力機(jī)停機(jī)時(shí)的一階阻尼比均很小，此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速很低，葉片順槳，氣動(dòng)阻尼比可以忽略，可近似認(rèn)為是結(jié)構(gòu)阻尼；風(fēng)力機(jī)運(yùn)行時(shí)，阻尼比受不同工況的影響非常顯著。隨著風(fēng)速和轉(zhuǎn)速的增大，氣動(dòng)阻尼比的貢獻(xiàn)逐漸增大，總阻尼比隨之增大。