风电机组轴系扭矩振荡案例分析与研究—风电机组技术

  2013年10月16日下午，北京国际风能暨展览会——风电机组技术。上海电气风能有限公司塔架项目经理唐亮演讲：风电机组轴系扭矩振荡案例分析与研究。以下是全文：

  唐亮：大家好，我们这个报告主要是针对很具体的案例，我们怎么来分析处理的。在我们风电发展过程中，碰到过一个谣言就是风机振荡问题。我的介绍主要分三个方面，第一个是我们振动情况的大概介绍，以及我们分析其他振动的主要特征。第二作为振动来说，和结构特性和振动源两方面相关的，所以我们两个主要方向就是从这两方面做着手处理的。最后就是我们的缘由分析和最终的处理方案。当时我们在现场是这样的，当时他们观察到风机有一个很明显的振动了，我们当时总结了一下，我作为初步的分析，这个振动具有四个方面的特征。

  第一，这个振动在我们风场所有风机都发生了，而且发生的是非常普遍的。第二我们振动有方向性，而且很明显。第三工况都是相似的工况，第四跟频率是不同步的。

  这是我们当时做的风机振动的统计，当时已经安装的是9台机组，我们只列出了10天之内，我们统计出来振动情况，大概是最多的一天发生了20几次。这个是我们按照机组的情况，做的分别的统计，可以看出来，所有的机组在不同的时间都发生过这样的一个问题。关于振动的方向性，我们当时目测观察的时候在机舱横向，振动强度大于前后方向，我们做了实测，这个是测试结果。很明显的看到，红色就是横向，蓝线就是前后发生的加速度的情况，这个就说明横向振动强度大于前后振动强度。

  我们把发生振动情况的几个主要参数做了一个记录，我们大家可以看到，发生振动的时候，基本上功率还有风速和转速都在一个比较固定的范围。这个也是我们后续分析的重点，我们当时着重分析，为什么出现这种情况。第四个的话就是我们住里还注意到一个比较有趣的现象就是说，实际上在振动的时候，跟风轮的转速频率是有很大差别的。

  因为我们一开始怀疑是因为我们机组的结构频率和风轮EP没有充分的间隔嘛，但是实际上后面我们发现的，刚才视频上是13秒振动4个周期，这样的话，我们振动频率是0.31赫兹。风轮在发生振动的时候是0.23，塔架基频是0.31。可以得出结论，风轮EP不是发生塔架振动的基地源，我们可以得到一个基本结论就是发生了共振情况。

  这个振动发展是非常的迅速，当时我们目测的时候，10分钟之内，振动加速度的有效值从0直接到0.28，就是2.8米2次方秒。作为我们当时第一步分析的基础来说的话，振动的话，我们认为就是说，只是跟两个方面有关系，这两个方面也是我们分析的两个主要方向，第一个是我们振动的一个激励源，因为没有激励源肯定不能会发生振动的。第二个我们机组的整体结构特性。因为机组结构特性跟振动源，没有刚好匹配的话，可能会发生共振的问题。这里的话，就是说我们风机设计的时候，为什么塔架基批要避开EP。这两个共同决定振动的特性。我们当时确定这两个方向作为我们分析的重点。

  首先我们从结构特性方面做了一个检查，这里写的比较简单，因为当时有很多人怀疑，是塔架或者机组设计原因，实际没有达到设计的要求。我们当时提出的方案就是给风机整体做一个频率测试。主要的原因是什么呢?我们可以从这个公式上能够正常的看到，风机的质量是确定的，不太容易随着外界变化而变化，我们的频率跟总体刚度有关系，这个是很简化的式子，但是这个是很适用的。

  我们当时就确定，如果频率满足我们的设计要求，就可以排除结构原因。右面是当时实测的结果，我们可以看出来，在0.317这个地方有一个尖峰，这个就是结构的自振频率就是0.317。但是我们设计频率是0.312，略高于我们的设计频率，这个就说明，最后塔架和机组的总体刚度是符合我们设计要求的。当时我们为了彻底排除这个原因，我们测量运行时候风机的频率情况。停机7台测下来，数据吻合性非常好，都是0.317，运行的时候，我们就测了一台，因为考虑机组安全性的影响，最后结果就是振动前后和振动当中并没有发生更多损失的情况。我们基本上可以排除是结构方面的问题。

  接下来的话，我们要排查它的振动源，因为结构方面的问题排除之后就剩下振动源的问题了。振动源的问题，我们充分考虑了振动的特征。因我们常见的振动源的话，一般最常见的是风轮不平衡，还有高竖轴，高频振动，电机或者齿轮箱弹性支撑破损，这跟我们观察的是不相符的。如果风轮不平衡的话，不会出现在我们特定的工况。这跟我们观察到的现象是完全不符的。如果是轴承和齿轮破损或者弹性支撑的问题也不太可能出现。它也不太可能是普遍性的问题。还有一个它的振幅应该不会达到我们所观测的这么明显的效果，当时观测的话，横向的振幅大概有2米，两边各一米，综合考虑下来，应该不会有这么大的影响。我们还是做了一些检查，检查的结果也符合我们的预期，这些都没有发现问题。

  最后我我们考虑到，其实我们一开始考虑的方向，但是我们排除了，风轮控制的话，这跟我们观测到的特征是非常吻合的，如果控制出现问题的话，还有明显的方向性，这个都是可以预期的。这是当时我们从发生共振的情况下截取的数据，这是3号风机振动数据，红色的线是叶片变桨角度，最上面是风轮转速，这个是风机转矩。这个都没有达到满发，按照常规来说它不应该变桨，所以这是异常的现象，而且我们大家可以看到，这三个变量的话，基本上是同步变化的。

  我们对这个东西做了一个滤波和副滤液变化的分析(音译)最后得出变桨较吨0.318赫兹，扭矩也是0.318赫兹。这是转矩，这三个吻合性是非常好的，这就是我们塔架发生振动的最终的原因所在。

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