某風電場技改前后載荷測試分析

摘 要：【目的】某風電場在技改前，風機經常出現異響、振動大等現象，為有效支撐技改服務，解決風機異常問題，開展了載荷測試工作。【方法】技改前后分別對該風機進行載荷測試，并從不同風速下載荷量、極限載荷對比、時序頻譜、1 Hz等效疲勞載荷、塔架固有頻率等方面進行分析。【結果】技改前后該風機等效載荷變化趨勢一致，且在風速9 m/s以下數值相近，但風速超過9 m/s后，技改后風機等效載荷為1 935.30 kN·m，遠大于技改前的1 590.18 kN·m。測試結果顯示，技改后風機發電能力、變槳能力變弱，因其在大風情況下葉片變槳小，風載變大，加之新軸承自身重量增加，使得風機等效載荷明顯增大。【結論】技改后該風機異常問題基本解決，此結果對同類型機組工程改造具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：風電場；風速；載荷測試

中圖分類號：TK8 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）18-0044-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.009

Load Test and Analysis of a Wind Farm Before and After Technical

Reform

XIAO Shengzhong1，2 CHAI Baotong3 LI Peng2 LI Wei1 LI Lingfeng1

YAO Jinda4 YANG Shuai3

（1.Inner Mongolia Huadian New Energy Branch Company， Hohhot 010000， China;

2.Inner Mongolia Hua Dian Ba Yin Wind Power Generation Co.， Ltd.， Baotou 014000， China;

3.Huadian Electric Power Research Institute， Hangzhou 310000， China;

4.Huadian Fuxinzhayou Zhongqi Hongpan Wind Power Power Co.， Ltd.， Chahar Right Middle Banner，013500， China）

Abstract： [Purposes] Before the technical transformation of a wind power plant， the abnormal noise and vibration of the wind turbine often occur. In order to effectively support the technical transformation and solve the abnormal problem of the fan， the load test work was carried out. [Methods] Before and after the technical reform， the load test of the fan was carried out， the load quantity under different wind speeds， the comparison of limit load， the time series spectrum， the equivalent fatigue load of 1Hz and the natural frequency of tower are analyzed. [Findings] The change trend of the equivalent load of the fan before and after the technical reform is the same， and the value is similar under the wind speed 9 m/s， but as the wind speed exceeds 9 m/s， the equivalent load of the fan after the technical reform is 1 935.30 kN·m， which is much larger than 1 590.18 kN·m before the technical reform. The test results show that the power generation capacity and pitch ability of the fan are weakened after the technical transformation， so that the blade pitch is small and the wind load is large in the case of strong wind. In addition， the weight of the new bearing increases， which makes the equivalent load of the fan increase obviously. [Conclusions] After the technical reform， the abnormal problem of the fan is basically solved， which has certain reference significance for the engineering reform of the same type of units in the industry.

Keywords： wind farm; three -column bearings; load test

0 引言

在風電機組技改前后往往分別進行載荷測試，以進一步驗證技改效果。林鈞斌等［1］對風力發電機組的機械載荷測試常用方法進行了研究，提出了一套適合市場的檢測流程；王樹軍等［2］對鋼塔機組仿真載荷與測量值進行了比較，針對實測與仿真結果差異性開展了相關研究；石宇峰等［3］根據相關標準，結合現場實際情況，對載荷測試方法進行了研究，給出了測試時應該注意的一些問題。

某風電場多臺風機出現異響，機艙底座出現晃動，需要進行更換新三列軸承的技術改造工作。本文對該風電場風機在技改前后分別進行了載荷測試，研究結果對行業同類型機組改造具有一定的指導意義。

1 載荷測試原理及系統設計

1.1 原理

風力機組所受載荷主要由重力和慣性載荷、空氣動力載荷、機組運行載荷等組成［4］。機組不同部件的受載情況都需要重點關注，主要包括葉片各截面載荷、輪轂載荷及塔架各截面載荷。

葉片是風力機組的重要部件之一，葉片載荷主要受空氣動力、重力及慣性力影響。葉片的空氣動力載荷利用葉素-動量理論計算，將葉片簡化為有限個葉素［5］，通過積分求得葉片擺振與揮舞方向的彎矩。

傾覆彎矩和翻滾彎矩通過計算塔筒彎矩信號和機艙偏航位置得到，具體見式（1）至式（4）。

Mttn = TTB0-180 × cos（θ） + TTB90-270 × sin（θ） （1）

Mttl = –TTB0-180 × sin（θ） + TTB90-270 × cos（θ） （2）

Mtn = TBB0-180 × cos（θ） + TBB90-270 × sin（θ） （3）

Mtl = –TBB0-180 × sin（θ） + TBB90-270 × cos（θ） （4）

式中：θ為修正過的機艙偏航位置。

1.2 系統設計

風電機組局部載荷測試系統采用三臺德國IMC數據采集器，其中兩臺型號為DCB8，一臺型號為BUSDAQ-4。其主要用來采集風力發電機組載荷的應變信號。DCB8數據采集器有8路模擬輸入通道，BUSDAQ-4有4路數字輸入通道，4路CAN節點，最高采樣頻率為200 Hz。

應變片型號為BF350-3BB（11）-P400和BF350-3HA（11）N4-P400，分別用于彎矩和扭矩的測量。采樣的數據包括機艙風速、載荷、功率和風力發電機組的狀態信號，具體測量方式如圖1所示。

本研究涉及的風速、風向、氣溫、氣壓測試量通過牧鐳激光測風雷達系統采集，測試采集的高度層級分別為40、50、60、65、70、75、80、85、90、95、100 、110 m，計算采用75 m處的風速、風向數據。測量塔底、塔頂、機艙輪轂彎矩的應變片型號為BF350-3BB（11）–P400，靈敏度系數為2.08，應變片組合方式為全橋，可以實現溫度補償。測量塔頂、機艙輪轂扭矩的應變片型號為BF350-3HA-A（11）N4-P400，靈敏度系數為2.07，結構為V形片，應變片組合方式為全橋。

彎矩應變片安裝位置如圖2、圖3所示。塔頂彎矩和扭矩應變片安裝在同一高度。輪轂應變片安裝于內軸承內側，方位為0°、90°、180°、270°正方向。

塔筒信號通過分流電阻來標定，校準系數取決于分流電阻的標定結果，標定結果與塔筒結構及應變片安裝位置有關系。補償系數為偏航一周的平均值。

2 現場試驗數據及結果分析

2.1 現場試驗數據要求

正常發電情況下的測試結果，需要包含以下數據：①正常發電情況下的俘獲矩陣；②載荷數據（10 min平均值、最大值、最小值、標準偏差）與風速的對應關系；③等效載荷與風速的對應關系；④時間序列及頻譜圖。測試過程中需要剔除以下數據：①測量扇區-63°～82°之外的數據；②風電機組非正常運行情況下的數據，包括安全鏈斷開、手動停機等；③記錄時間小于10 min的數據；④測試系統出現問題期間的數據；⑤輪轂溫度小于-10 °C和結冰期間的數據；⑥明顯異常的數據。根據國際電工委員會標準規范IEC 61400-13的要求，應通過正常發電情況下的俘獲矩陣來確定數據是否完整。

測試期間的氣象數據（測量扇區內的數據）有①輪轂高度的平均氣溫為-9.77 °C ；②近地高度的平均氣壓為854.99 hPa ；③平均空氣密度為1.131 kg/m3；④平均湍流強度為6.70 %。

通過上述檢測，獲得了風力發電機組某風機載荷的測試數據，有效數據量為1 657個，正常運行下的俘獲矩陣符合IEC標準規定的樣本數量及分布，通過系統數據處理方法對其結果進行有效性分析。

2.2 測試結果分析

2.2.1 不同風速下載荷量分析。統計俘獲矩陣中所有風速下的載荷，通過與該風機在技改前的測試數據進行比較，得出正常工作時載荷的變化情況，見表1至表3，其中m為材料系數。

2.2.2 極限載荷對比分析。技改前后，分別對該風機進行了極限載荷測試，風速13 m/s時的對比結果見表4。由表4可知：①更換新三列軸承后，風機塔頂極限彎矩降低，但標準差變大，說明技改后塔筒極限載荷更加安全，但是晃動變得劇烈；②極限扭矩稍微變大，且標準差變大，說明輪轂及主軸部分扭力更大，且振動變大，考慮到軸承變重，且外徑變大、內徑變小，此變化在合理范圍內；③塔底左右極限彎矩及標準差增加幅度較大，說明風機運行時左右振動變大，且塔底左右承受重量增加劇烈，但仍然遠小于前后載荷，因此塔底左右彎矩極值增大僅會對風機壽命產生影響；④塔底前后極限彎矩及標準差減小，說明塔底前后承重減小，且更加穩固。

2.2.3 時序頻譜分析。由于采用地面激光雷達測風，目前取得的氣象數據為統計完成后的氣象值（10 min最大、最小、平均、偏差）， 所涉及的風速風向10 min時域圖均為一條直線，如圖4所示。

2.2.4 1 Hz等效疲勞載荷分析。等效疲勞載荷公式見式（5）。

[F=fmiNiNm] （5）

式中：fi為第i個載荷區間對應的載荷；Ni為第i個載荷區間載荷的循環次數；N為選取的參考次數；m為材料系數。

10 min疲勞載荷的計算見式（6）。這組結果與原始數據具有相同的破壞效應。Neq是一個可隨意選定的值，選擇600個的目的是與1 Hz等效載荷相匹配。

[Leq=Rmi×niNeq1m] （6）

式中：Leq為等效載荷； Ri為疲勞載荷譜的第i級載荷范圍 ；ni為第i級載荷范圍中的計數結果 ；Neq為600個等效循環（與1 Hz對應）； m為材料系數。

10 min樣本數據不同風速下1 Hz等效疲勞載荷情況如圖5至圖8所示。由圖5至圖8可知，技改前后該風機等效載荷變化趨勢一致，且在風速9 m/s以下數值相近，但風速超過9 m/s后，技改后風機等效載荷遠大于技改前，說明更換新三列軸承后使得風機等效載荷增加明顯，雖然從極限載荷標準差可知塔筒更穩定，但等效承重增加明顯，意味著壽命將明顯減少。出現該現象的原因是，新三列軸承更換后，風機發電能力、變槳能力變弱，從而在大風情況葉片變槳小，風載變大，又加上新軸承自身重量增加，使得風機等效載荷明顯增大。

2.2.5 塔架固有頻率。塔架固有頻率變化較小，具體見表5，說明風機共振區基本不變，符合安全要求。

3 結論

某風機場風機在技改前后，分別對其進行載荷測試及對比分析，得出以下結論。

結果顯示，技改前后該風機等效載荷變化趨勢一致，且在風速9 m/s以下數值相近，但風速超過9 m/s后，技改后風機等效載荷為1 935.30 kN·m，遠大于技改前1 590.18 kN·m。技改后風機發電能力、變槳能力變弱，從而在大風情況葉片變槳小，風載變大，再加上新軸承自身重量增加，使得風機等效載荷明顯增大。研究表明，通過技改基本解決了該風機異常問題，對行業同類型機組工程改造具有一定的借鑒意義。

參考文獻：

［1］林鈞斌，莊駿，孫斌，等.風電機組機械載荷測試研究［J］.機械制造，2013，51（7）：65-67.

［2］王樹軍，馬林靜，盛振國，等.風力發電機組設計評估中仿真載荷與測量值的比較［J］.中國船檢，2013（12）：93-96.

［3］石宇峰，王鍍，黃成彥.風電機組載荷測試方法的研究［J］.電源技術應用，2015（8）：32-35.

［4］凌愛民，莊岳興.大型風力發電機組動力學分析方法［J］.風力發電，2001，3（4）：42-49.

［5］高俊云，姜宏偉，李超峰，等.風電機組塔筒載荷的測試與分析［J］.機械設計，2018，35（11）：53-56.