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1、摘要：风力发电机组振动超限类故障较为常见，不仅因为风电机组结构，细 长的叶片及塔筒，沉重的机舱容易产生振动。还有多环节的传动链及偏航系统； 复杂的控制策略，开关过程、控制过程，加之一系列动态载荷，如：阵风、湍流 波浪（海上风机）、地震、叶轮转动等；都有容易激发机组的强烈振动；另外测 量回路中测量本体，线路虚接及干扰问题造成的测量信息错误引发故障也占了该 类故障触发相当大的比重。本文主要通过描述一个真实振动案例分析和解决的过 程，寻求一个该故障的普遍解决办法，为解决风力发电机组振动故障提供参考和 借鉴。关键字：风力发电机组；振动；控制；1 引言风电机组振动超限类故障是一个非常常见的故障，因为涉及
2、电气、传动、控 制、结构、环境很多因素，使得该类故障分析及处理有一定难度。本文通过一个 真实案例，详细阐明机舱加速度超限故障分析过程，为该类故障提供解决方案。二、测量回路引发故障2.1 检测回路基本原理为防止机组振动引发严重后果，一般风电机组会配备加速度传感器计量机舱 振动情况，有些机组厂商还会增加摆锤作为后备保护串入安全链中，通过调节摆 锤的重心高度，达到相应的加速度限值要求。加速度传感器主要通过对内部质量 块所受惯性力的测量，利用牛顿第二定律获得加速度值，根据传感器敏感元件的 不同，常见的加速度传感器包括电容式、电感式、应变式、压阻式、压电式等。2.2 检测回路故障处理无论使用哪种加速度传
3、感器，都会不同程度的受到其测量本体可靠性、传输 线路可靠性、接收信号模块故障及干扰问题的影响从而引发故障。因测量本体、 接收信号模块以及线路虚接问题，经细致检查或替换备件的方法可以找到故障点 另在新投入风电场可能出现设计算法过于敏感，特殊天气导致机组误报振动加速 度故障。信号干扰问题，风力发电机组使用的振动模块，更加注重低频段测量精度， 模块本身就具备滤波及抗混频功能。为防止机组误报，主控程序中还会再次对有 效值进行滤波，所以一般情况下不会发生信号干扰引发故障。如果排除真实振动 引发故障及测量本体及线路问题，可针对干扰问题，对信号通道屏蔽层进行接地 （必须保证接地点可靠）；远离强电场或增加屏蔽
4、管；找到干扰源。三、实际振动引发故障机组实际振动触发限值并不多见，即便发电机及齿轮箱轴承、主轴轴承发生 异常，一般不会引发机舱加速度超过限值。除非严重失效，但也因此故障点已十 分明显，本文不做讨论。实际振动故障特点：（1）发生在相对高风速段或启停过程；（2）能够感受到机组运行声音异常及高能振动；（3）从加速度数据（毫秒级）看幅值存在渐变过程，不存在跳变。导致实 际振动的原因有：（1）塔筒基础或结构刚性未达到设计要求，导致固有频率下降，与叶轮转频过于接近引发共振；2）机械传动链的某一异常振动频率与系统固有频率重合；（3）控制系统设计缺陷，导致机组在启停过程中没有很好的避开大部件固 有频率。（4）
5、控制系统异常；（5）叶轮转矩波动导致共振。下面通过 1 个真实案例，详细说明实际振动 分析过程。四、案例解析4.1 基本情况概述某风场数据库故障日志查询，截至 2018 年2 月该机组报“机舱加速度超限 故障”频次达到642次，查看故障数据见图3 （采集间隔20ms，故障前90s，故 障后30s）在故障0时刻，机舱加速度有效值滤波后为0.146g，达到故障触发值 观察故障特点，故障时均处于额定风速（12m/s ）区，故障时刻感受晃动明显。图 3 故障 B 文件机舱加速度有效值4.2 故障分析通过观察振动数据及实地勘查，明确该机组为实际振动，排除检测回路问题 导致误报的可能。对机组机械部分进行检
6、查，包括桨距平衡度、基础水平度、塔 筒螺栓连接、轮毂内部螺栓情况、主轴承情况、叶轮锁定销、叶轮锁定闸、塔筒 连接螺栓、偏航刹车盘、偏航轴承、偏航余压，叶轮空转、机舱偏航、均未发现 异常情况。其中桨距平衡度检查包括：机械 0 度与电气 0 度校核；机械 0度与合 模线校核；录制机组空转及运行中叶片扫风声音，捕捉音频异常。至此故障排查 渐入僵局。通过傅里叶变换，观察机舱加速度振动频谱，振幅最大频率为 0.45赫兹，该频率为塔筒（前后、左右）一阶模态固有频率（来自机组厂家主要部件固有频率仿真结果）。可确定某一个振源与塔筒发生了共振。母线电流（boost电流）、母线电流给定值（boost电流给定值）、
7、二极管整流 后电压（不可控直流电压），y轴机舱加速度值。可见在故障触发前有一段明显的震荡过程，同时加速度幅值不断扩大，最后 达到限值触发故障，经过计算该震荡频率为 0.45HZ 左右，与捕捉到的最大振幅 频率相同。可基本确定导致塔筒共振原因是叶轮转矩波动引发。4.3 故障处理通过以上分析，一是确定导致塔筒共振原因是叶轮转矩波动；二是叶轮转矩 波动是由桨距角变化造成的。疑问在于为什么该机组桨距变化不同于其他机组 （其他机组没有因桨距角变化引发振动），通过 TwinCATScopeView 软件检测其 他机组桨距变化发现，在额定风速至切出风速之间，每 10 秒变化周期在 7 个以 上，完全可以避开
8、共振频段。机组进入额定风速以后，通过桨距角调节控制转速，然而桨距角变化必定带 来叶轮升力和阻力（大部分为前后推力）变化，如果可以将这个量引入发电机转 速-叶片桨距角控制环路中，为振动提供阻尼适应风速变化，将大大降低塔架 疲劳载荷。从 PID 控制可以看出加阻后变桨机构动态特性是受到加速度（前后）影响的 当湍流越大，为了抑制振动直接表现为响应速度越滞后。通过对比该机组附近的 其他机组，桨距角变化速率并没有变化，说明实际情况中并没有遇到较强湍流。那么机组启动加阻的原因是什么呢，将排查重点放到机组 fore-aft 方向塔架加 阻闭环控制中。最后通过排查发现加速度模块（如图1）, X （前后）与Y
9、（左右） 信号反接。这就导致了发电机转速-叶片桨距角控制环路中引入的其实塔架左 右振动的加速度，实际控制就变成了非闭环控制，控制桨距角变化的量没有得到 真实反馈，将持续变化，直到桨距角变化频率与塔筒一阶固有频率发生共振导致 机组停机。五、总结机舱加速度超限故障可以把握以下几个基本方法，让我们有的放矢。判断是 否为真实振动，查看故障时机组运行状态。例如：风机处于停机或维护模式下报 出很有可能和测量回路有关；观察振动加速度时域图，查看是否有振动放大过程， 而非突然变化。如果判断为实际振动，观察振动频域，振幅较大频段是否集中， 对应该频段找到与此相近的大部件各阶各模态固有频率，同时通过频段推测震源 所在位置。例如：故障时叶轮转速为10T5rpm，对应转频为0.1670.25Hz，共 振频率如果在该频段内，很有可能因气动不平衡引发振动。注意观察，特殊异响 发生是否有规律，每只叶片的扫风声音，周边环境是否具有一定特点，故障发生 时是在哪种特定情况下等。例如：如果机组处于并网过程或功率控制过程那么很 有可能和控制策略有关。参考文献：1邱锦英风力发电机组振动分析及加阻控制研究D.哈尔滨工业大 学,2010：.36-38.
