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風(fēng)電機(jī)組軸系扭矩振蕩案例分析與研究 來源：杰晟企劃部 發(fā)布時(shí)間：2016/8/22 2013年10月16日下午，北京國際風(fēng)能暨展覽會(huì)——風(fēng)電機(jī)組技術(shù)
。上海電氣風(fēng)能有限公司塔架項(xiàng)目經(jīng)理唐亮演講：風(fēng)電機(jī)組軸系扭矩振蕩案例分析與研究。以下是全文：
唐亮：大家好，我們這個(gè)報(bào)告主要是針對(duì)非常具體的案例
，我們?cè)趺磥矸治鎏幚淼�。在我們風(fēng)電發(fā)展過程中，碰到過一個(gè)謠言就是風(fēng)機(jī)振蕩問題。我的介紹主要分三個(gè)方面，第一個(gè)是我們振動(dòng)情況的大概介紹，以及我們分析其他振動(dòng)的主要特征。第二作為振動(dòng)來說，和結(jié)構(gòu)特性和振動(dòng)源兩方面相關(guān)的，所以我們兩個(gè)主要方向就是從這兩方面進(jìn)行著手處理的。最后就是我們的原因分析和最終的處理方案。當(dāng)時(shí)我們?cè)诂F(xiàn)場是這樣的，當(dāng)時(shí)他們觀察到風(fēng)機(jī)有一個(gè)非常明顯的振動(dòng)了，我們當(dāng)時(shí)總結(jié)了一下，我作為初步的分析，這個(gè)振動(dòng)具有四個(gè)方面的特征。第一，這個(gè)振動(dòng)在我們風(fēng)場所有風(fēng)機(jī)都發(fā)生了
，而且發(fā)生的是非常普遍的。第二我們振動(dòng)有方向性，而且非常明顯。第三工況都是相似的工況，第四跟頻率是不同步的。這是我們當(dāng)時(shí)做的風(fēng)機(jī)振動(dòng)的統(tǒng)計(jì)
，當(dāng)時(shí)已經(jīng)安裝的是9臺(tái)機(jī)組，我們只列出了10天之內(nèi)，我們統(tǒng)計(jì)出來振動(dòng)情況，大概是最多的一天發(fā)生了20幾次。這個(gè)是我們按照機(jī)組的情況，做的分別的統(tǒng)計(jì)，可以看出來，所有的機(jī)組在不同的時(shí)間都發(fā)生過這個(gè)問題。關(guān)于振動(dòng)的方向性，我們當(dāng)時(shí)目測(cè)觀察的時(shí)候在機(jī)艙橫向，振動(dòng)強(qiáng)度大于前后方向，我們做了實(shí)際測(cè)試，這個(gè)是測(cè)試結(jié)果。很明顯的看到，紅色就是橫向，藍(lán)線就是前后發(fā)生的加速度的情況，這個(gè)就說明橫向振動(dòng)強(qiáng)度大于前后振動(dòng)強(qiáng)度。我們把發(fā)生振動(dòng)情況的幾個(gè)主要參數(shù)做了一個(gè)記錄
，我們可以看到，發(fā)生振動(dòng)的時(shí)候，基本上功率還有風(fēng)速和轉(zhuǎn)速都在一個(gè)比較固定的范圍。這個(gè)也是我們后續(xù)分析的重點(diǎn)，我們當(dāng)時(shí)著重分析，為什么出現(xiàn)這種情況。第四個(gè)的話就是我們住里還注意到一個(gè)比較有趣的現(xiàn)象就是說，實(shí)際上在振動(dòng)的時(shí)候，跟風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速頻率是有很大差別的。因?yàn)槲覀円婚_始懷疑是因?yàn)槲覀儥C(jī)組的結(jié)構(gòu)頻率和風(fēng)輪EP沒有充分的間隔嘛
，但是實(shí)際上后面我們發(fā)現(xiàn)的，剛才視頻上是13秒振動(dòng)4個(gè)周期，這樣的話，我們振動(dòng)頻率是0.31赫茲。風(fēng)輪在發(fā)生振動(dòng)的時(shí)候是0.23，塔架基頻是0.31�？梢缘贸鼋Y(jié)論，風(fēng)輪EP不是發(fā)生塔架振動(dòng)的基地源，我們可以得到一個(gè)基本結(jié)論就是發(fā)生了共振情況。這個(gè)振動(dòng)發(fā)展是非常的迅速，當(dāng)時(shí)我們目測(cè)的時(shí)候，10分鐘之內(nèi)，振動(dòng)加速度的有效值從0直接到0.28，就是2.8米2次方秒。作為我們當(dāng)時(shí)第一步分析的基礎(chǔ)來說的話，振動(dòng)的話，我們認(rèn)為就是說，只是跟兩個(gè)方面有關(guān)系
，這兩個(gè)方面也是我們分析的兩個(gè)主要方向，第一個(gè)是我們振動(dòng)的一個(gè)激勵(lì)源，因?yàn)闆]有激勵(lì)源肯定不能會(huì)發(fā)生振動(dòng)的。第二個(gè)我們機(jī)組的整體結(jié)構(gòu)特性。因?yàn)闄C(jī)組結(jié)構(gòu)特性跟振動(dòng)源，沒有剛好匹配的話，可能會(huì)發(fā)生共振的問題。這里的話，就是說我們風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的時(shí)候，為什么塔架基批要避開EP。這兩個(gè)共同決定振動(dòng)的特性。我們當(dāng)時(shí)確定這兩個(gè)方向作為我們分析的重點(diǎn)。首先我們從結(jié)構(gòu)特性方面做了一個(gè)檢查
，這里寫的比較簡單，因?yàn)楫?dāng)時(shí)有很多人懷疑，是塔架或者機(jī)組設(shè)計(jì)原因，實(shí)際沒有達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。我們當(dāng)時(shí)提出的方案就是給風(fēng)機(jī)整體做一個(gè)頻率測(cè)試。主要的原因是什么呢?我們可以從這個(gè)公式上可以看到，風(fēng)機(jī)的質(zhì)量是確定的，不太容易隨著外界變化而變化，我們的頻率跟總體剛度有關(guān)系，這個(gè)是很簡化的式子，但是這個(gè)是很適用的。我們當(dāng)時(shí)就確定，如果頻率滿足我們的設(shè)計(jì)要求，就可以排除結(jié)構(gòu)原因。右面是當(dāng)時(shí)實(shí)測(cè)的結(jié)果，我們可以看出來，在0.317這個(gè)地方有一個(gè)尖峰，這個(gè)就是結(jié)構(gòu)的自振頻率就是0.317。但是我們?cè)O(shè)計(jì)頻率是0.312，略高于我們的設(shè)計(jì)頻率，這個(gè)就說明，最后塔架和機(jī)組的總體剛度是符合我們?cè)O(shè)計(jì)要求的。當(dāng)時(shí)我們?yōu)榱藦氐着懦@個(gè)原因，我們測(cè)量運(yùn)行時(shí)候風(fēng)機(jī)的頻率情況。停機(jī)7臺(tái)測(cè)下來，數(shù)據(jù)吻合性非常好，都是0.317，運(yùn)行的時(shí)候，我們就測(cè)了一臺(tái)，因?yàn)榭紤]機(jī)組安全性的影響，最后結(jié)果就是振動(dòng)前后和振動(dòng)當(dāng)中并沒有發(fā)生更多損失的情況。我們基本上可以排除是結(jié)構(gòu)方面的問題。
接下來的話，我們要排查它的振動(dòng)源，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)方面的問題排除之后就剩下振動(dòng)源的問題了。振動(dòng)源的問題，我們充分考慮了振動(dòng)的特征。因?yàn)槲覀兂Ｒ姷恼駝?dòng)源的話，一般最常見的是風(fēng)輪不平衡，還有高豎軸，高頻振動(dòng)
，電機(jī)或者齒輪箱彈性支撐破損，這跟我們觀察的是不相符的。如果風(fēng)輪不平衡的話，不會(huì)出現(xiàn)在我們特定的工況。這跟我們觀察到的現(xiàn)象是完全不符的。如果是軸承和齒輪破損或者彈性支撐的問題也不太可能出現(xiàn)。它也不太可能是普遍性的問題。還有一個(gè)它的振幅應(yīng)該不會(huì)達(dá)到我們所觀測(cè)的這么明顯的效果，當(dāng)時(shí)觀測(cè)的話，橫向的振幅大概有2米，兩邊各一米，綜合考慮下來，應(yīng)該不會(huì)有這么大的影響。我們還是做了一些檢查，檢查的結(jié)果也符合我們的預(yù)期，這些都沒有發(fā)現(xiàn)問題。最后我我們考慮到，其實(shí)我們一開始考慮的方向，但是我們排除了，風(fēng)輪控制的話，這跟我們觀測(cè)到的特征是非常吻合的，如果控制出現(xiàn)問題的話，還有明顯的方向性，這個(gè)都是可以預(yù)期的。這是當(dāng)時(shí)我們從發(fā)生共振的情況下截取的數(shù)據(jù)，這是3號(hào)風(fēng)機(jī)振動(dòng)數(shù)據(jù)，紅色的線是葉片變槳角度，最上面是風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，這個(gè)是風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)矩。這個(gè)都沒有達(dá)到滿發(fā)，按照常規(guī)來說它不應(yīng)該變槳，所以這是異常的現(xiàn)象，而且我們可以看到，這三個(gè)變量的話，基本上是同步變化的。
我們對(duì)這個(gè)東西做了一個(gè)濾波和副濾液變化的分析(音譯)最后得出變槳較噸0.318赫茲
，扭矩也是0.318赫茲。這是轉(zhuǎn)矩，這三個(gè)吻合性是非常好的，這就是我們塔架發(fā)生振動(dòng)的根本原因所在。最后我們可以得出一個(gè)結(jié)論
，因?yàn)榭刂瞥霈F(xiàn)了異常，導(dǎo)致我們風(fēng)機(jī)沒有達(dá)到額定風(fēng)速之前，就已經(jīng)發(fā)生頻繁的變槳?jiǎng)幼鳎斐娠L(fēng)輪轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。給我們整個(gè)機(jī)組有一個(gè)相當(dāng)大的振動(dòng)激勵(lì)，也就是造成我們塔架振動(dòng)的根本原因。這個(gè)也可以很好的解釋，為什么橫向的振幅要遠(yuǎn)大于前后的振幅，因?yàn)轱L(fēng)輪是扭矩波動(dòng)，不是前后的推力波動(dòng)，所以最后我們以這個(gè)方向作為我們后續(xù)解決問題的一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。首先我們采取了第一個(gè)，我們調(diào)整了風(fēng)機(jī)的控制參數(shù)
，當(dāng)然具體的控制參數(shù)的話，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)系，我就不詳細(xì)介紹了。但是我們可以看出來，這是調(diào)整參數(shù)以后的類似工況的運(yùn)行數(shù)據(jù)，可以非常明顯的看出來，變槳角度，已經(jīng)恢復(fù)正常了，就不再變槳了，這個(gè)符合我們采用轉(zhuǎn)矩表分析的運(yùn)行工況的。當(dāng)然這個(gè)地方還可以看到它的扭矩仍然是波動(dòng)的，但是波動(dòng)的話，這個(gè)時(shí)候是風(fēng)機(jī)沒有辦法避免的一個(gè)情況。因?yàn)槿绻悴捎玫霓D(zhuǎn)矩表控制的話，風(fēng)機(jī)的扭矩隨著風(fēng)速變化的話，肯定會(huì)發(fā)生波動(dòng)的，但是這個(gè)出現(xiàn)問題的話，還會(huì)引起大量的問題。這個(gè)是我們調(diào)整控制參數(shù)以后的運(yùn)行數(shù)據(jù)
，這頭可以看到，這條藍(lán)色的線，是我們振動(dòng)加速度，這里頭從60秒之后可以看到振動(dòng)加速度，還是在不斷上升的。葉片變槳角度的話，還是在波動(dòng)的，這里頭的話仍然有問題。我們也做了一些分析
，扭矩還是有異常的波動(dòng)現(xiàn)象，但是具體的原因，其實(shí)跟原來的話，還是很相似的，調(diào)整這個(gè)參數(shù)，不能從根本上解決這個(gè)問題，因?yàn)椴捎眠@種控制方式的話，風(fēng)機(jī)的扭矩信號(hào)肯定隨著風(fēng)速還是有相當(dāng)大的波動(dòng)的。所以我們最后采用了濾波器，就是在我們轉(zhuǎn)速和扭矩信號(hào)下面加了一個(gè)振動(dòng)濾波，我們可以看到藍(lán)色的線，是沒有采用這個(gè)東西之前的振幅，黃色的線是采用之后。我們這里可以比較明顯的看出來，之前和之后的振幅比之前有明顯的降低。我們給它做一個(gè)簡單的頻譜分析，濾波以后的頻譜，雖然峰值基本上出現(xiàn)在0.317，但是峰值從32降到4.65，基本降低85%，這個(gè)效果還是非常明顯的。目前我們還在做其他方面的改進(jìn)
，對(duì)我們的查表控制的方法，我們可能至少在過渡區(qū)這一段的話，可能會(huì)采用全程PID控制，或者含扭矩控制，我們?cè)谀承┨囟ǖ膮^(qū)域可能不再采用轉(zhuǎn)矩表控制，當(dāng)然這個(gè)我們正在做。因?yàn)閯偛盼覀円舱f了，振動(dòng)和振動(dòng)源和結(jié)構(gòu)特性兩方面相關(guān)的。從結(jié)構(gòu)特性來說，我們也在做阻力器的設(shè)計(jì)，雖然它不能解決振動(dòng)源的問題，但是振動(dòng)源有激勵(lì)的話，我們可以把振動(dòng)幅度大幅度減少，預(yù)計(jì)今年會(huì)裝一臺(tái)。最后謝謝大家。主持人：我問你一個(gè)問題
，你是單臺(tái)機(jī)還是多臺(tái)機(jī)?唐亮：多臺(tái)機(jī)組基本上都出現(xiàn)這個(gè)問題了
。我們那臺(tái)機(jī)組是第一次采用某一假供應(yīng)商的部件，有一個(gè)部件的匹配問題。主持人：第二個(gè)
，當(dāng)時(shí)的風(fēng)速多少?唐亮：發(fā)生振動(dòng)的時(shí)候
，當(dāng)時(shí)的風(fēng)速是12米左右，其他的風(fēng)速?zèng)]有振動(dòng)。主持人：我告訴你
，我在仙人島(音譯)遇到一次，在某個(gè)風(fēng)速下，整個(gè)機(jī)組振動(dòng)，要等到那個(gè)風(fēng)速達(dá)到那個(gè)值的時(shí)候，才測(cè)，要等到半夜才測(cè)，就是遼寧省因口仙人島(音譯)我提供這個(gè)案例給你參考。第二在山東龍城(音譯)7臺(tái)機(jī)組，所有的部件都是德國來的，惟一有塔架是當(dāng)?shù)卦斓摹．?dāng)?shù)卦斓?/font>7臺(tái)機(jī)組，有一臺(tái)發(fā)生振動(dòng)。唐亮：最后查出是什么原因?
主持人：最后的原因就是塔架的制造質(zhì)量。7臺(tái)有1臺(tái)振動(dòng)
，其他都一樣。因?yàn)楝F(xiàn)在你調(diào)轉(zhuǎn)矩，通過這個(gè)調(diào)的。唐亮：我們這個(gè)風(fēng)場情況可能不太一樣
，它是普遍的情況，其實(shí)我們?cè)?/font>PPT里面沒有說，其實(shí)是因?yàn)樽兞髌鞯哪芰�，跟我們轉(zhuǎn)矩表匹配，還有主控有點(diǎn)問題，就是變流器的扭矩變化能力跟不上主控的要求，所以造成來回波動(dòng)有點(diǎn)問題。塔架的問題還沒有發(fā)現(xiàn)，當(dāng)然我們都會(huì)查，但是現(xiàn)在我們更改的情況來看，應(yīng)該沒有再發(fā)生過類似的問題了，謝謝。主持人：大家有問題沒有?
提問：實(shí)際上我想提一個(gè)問題，我看到咱們這次演講的標(biāo)題
，叫軸系，是不是你們振動(dòng)之前在軸向上有比較明顯的振動(dòng)，我注意你講的時(shí)候，提到了一個(gè)跟變槳系統(tǒng)相關(guān)，這塊跟變槳系統(tǒng)的相關(guān)性?我們一般做的都是三葉片，是不是三葉片不兼容造成的?第二相關(guān)性，我們談到的，實(shí)際上后發(fā)現(xiàn)的，實(shí)際上跟變流器的濾波這塊相關(guān)?跟這塊的相關(guān)性體現(xiàn)在什么?包括解決手段是在變流器加的，還是主控加的?唐亮：首先回答你第一個(gè)問題
。我們叫它軸系是這個(gè)原因，因?yàn)槲覀冿L(fēng)機(jī)控制的最主要的手段就是給扭矩，所以引發(fā)振動(dòng)的直接原因，肯定是因?yàn)楫惓Ｗ儤�，但是具體到載荷上來說，就是變槳造成扭矩波動(dòng)，這個(gè)是最直接的原因。我們做的濾波其實(shí)主要對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)做濾波。我們要把塔架的基頻和其他相關(guān)的振動(dòng)的頻率要過濾掉。讓轉(zhuǎn)速信號(hào)發(fā)生波動(dòng)之前都可以接受，但是不能發(fā)生共振。提問：是不是跟固定的某一個(gè)風(fēng)速段相關(guān)?
唐亮：對(duì)，其實(shí)在1500千瓦左右，風(fēng)速是12米，轉(zhuǎn)速是14RPM。
提問：現(xiàn)在解決辦法是加濾波器，有沒有想過快速躲過這段?
唐亮：損失發(fā)電量太大，經(jīng)濟(jì)上難以接受。
提問：好謝謝。
提問：第一個(gè)問題，我看PPT最后寫的是設(shè)計(jì)阻尼器，這個(gè)是硬件還是軟件?
唐亮：阻尼器是硬件，最早是在塔架加水箱，我們指的就是這個(gè)，因?yàn)檫@個(gè)跟控制是沒有關(guān)系的，我們只是改變機(jī)組的結(jié)構(gòu)特性，無論它什么原因發(fā)生的振動(dòng)，在我們的基頻附近都有很好的減振效果，這是一個(gè)被動(dòng)的方法，但是從我們計(jì)算結(jié)果來看，效果還是可以的，國外的用也很多
，在海上我們已經(jīng)看到一些商場在用類似的產(chǎn)品了。提問：成本大概有多少?每臺(tái)都可以裝嗎?
唐亮：初步問下來
，好像是15-20萬一個(gè)。