大唐可再生能源試驗(yàn)研究院有限公司 陳明軒 王玉瑩

隨著國家出臺(tái)“碳達(dá)峰、碳中和”行動(dòng)方案，清潔能源發(fā)電已經(jīng)成為未來的發(fā)展方向，風(fēng)力發(fā)電又是其中的重中之重。直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是近年來廣泛應(yīng)用的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組類型，相較于雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，直驅(qū)型機(jī)組在低風(fēng)速下發(fā)電效率更高，且因沒有齒輪箱這一高速傳動(dòng)部件，故障率相對(duì)較低，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器為全功率變流器。但直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪直接與發(fā)電機(jī)相連，發(fā)電機(jī)直接受到各種沖擊載荷，對(duì)發(fā)電機(jī)要求較高。針對(duì)振動(dòng)監(jiān)測，直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測主要依靠CMS 在線監(jiān)測系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各類型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組極為重要的振動(dòng)監(jiān)測及控制手段。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，受到設(shè)計(jì)缺陷影響或設(shè)備部件老化問題可能會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)異常，引起故障，但振動(dòng)異常的原因較為多樣，難以直觀地觀察出問題來源并加以處理。本文以某出現(xiàn)多臺(tái)振動(dòng)異常超限的直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)電場為例，基于技術(shù)人員勘察設(shè)備情況、風(fēng)場SCADA 平臺(tái)中記錄的故障機(jī)組CMS 數(shù)據(jù)，以及故障機(jī)組故障快照數(shù)據(jù)記錄，針對(duì)機(jī)組連接處、發(fā)電機(jī)、槳葉、螺栓、控制邏輯等可能引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的因素進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的解決方案與優(yōu)化方向。

1 故障概況

某風(fēng)電場位于西部地區(qū)，處于丘陵地帶，風(fēng)電場于2014年前后投運(yùn)，該風(fēng)場配有25臺(tái)2MW 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。自2020年下半年起，多臺(tái)機(jī)組頻繁因振動(dòng)值超限觸發(fā)安全鏈故障停機(jī)（未觸發(fā)振動(dòng)開關(guān)）。在異常故障發(fā)生前，多臺(tái)機(jī)組發(fā)電機(jī)因原發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)缺陷問題而故障頻發(fā)，長期停機(jī)或限功率運(yùn)行，機(jī)組安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性大幅下降，于故障發(fā)生前進(jìn)行過發(fā)電機(jī)更換改造，異常振動(dòng)故障發(fā)生時(shí)處于發(fā)電機(jī)更換改造后的試運(yùn)行階段。

該直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的振動(dòng)分析儀頻帶為0.2～5.0Hz，分辨率0.001g，內(nèi)部具有監(jiān)視時(shí)鐘用于監(jiān)測電源情況，電纜破損情況和加速器的運(yùn)行情況，該振動(dòng)分析儀具有三種有效運(yùn)行方式：一是通道1，濾波器1；二是不同方向的通道1和2，同一個(gè)濾波器1；三是通道1和同一方向的通道1和2。

該振動(dòng)分析儀內(nèi)部采用兩個(gè)加速器用來測量振動(dòng)，分別測量X 方向及Y 方向振動(dòng)，X 方向加速器可以檢測兩種頻率。該型號(hào)機(jī)組于輪轂機(jī)艙側(cè)入口蓋板下設(shè)置兩個(gè)振動(dòng)分析儀，分別檢測X-Y 及X-Z方向振動(dòng)值。該機(jī)組設(shè)置振動(dòng)值大于0.06g 延時(shí)12s觸發(fā)安全鏈動(dòng)作停機(jī)，或大于0.12g 延時(shí)4s 觸發(fā)安全鏈動(dòng)作停機(jī)。調(diào)取所有機(jī)組歷次故障發(fā)生前后SCADA 秒級(jí)數(shù)據(jù)記錄，故障機(jī)組加速度平均動(dòng)作值0.08g，加速度最大值為0.091g，動(dòng)作期間平均風(fēng)速大多集中于8～10m/s。其中，振動(dòng)最嚴(yán)重的機(jī)組以肉眼直視便可觀測到前后擺動(dòng)（正對(duì)葉輪旋轉(zhuǎn)面方向，該型號(hào)機(jī)組未安裝輪轂導(dǎo)流罩）幅度較大。

2 故障原因分析

2.1 槳葉不平衡

機(jī)組運(yùn)行多年后，常年的風(fēng)沙侵蝕及雨雪沖刷會(huì)導(dǎo)致葉片磨損發(fā)生表面結(jié)構(gòu)變化。期間，正常運(yùn)行的葉片內(nèi)部由于工藝問題，內(nèi)部膠粒會(huì)在運(yùn)行期間不斷脫落，嚴(yán)重情況下可能導(dǎo)致葉片重量逐漸失衡。同時(shí)，正常運(yùn)行變槳的葉片隨時(shí)間推移會(huì)出現(xiàn)零位位移情況，根據(jù)技術(shù)規(guī)范一般需要定期對(duì)槳葉進(jìn)行零位標(biāo)定。上述葉片內(nèi)外結(jié)構(gòu)的改變及槳葉0位置異常可能會(huì)引發(fā)葉片氣動(dòng)性能變化，由此引起振動(dòng)異常故障。若由于葉片結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致振動(dòng)異常，一般可通過控制策略優(yōu)化和參數(shù)整定解決，情況嚴(yán)重時(shí)需進(jìn)行葉片配平[1-2]。

該風(fēng)電場故障機(jī)組觸發(fā)振動(dòng)超限停機(jī)后，技術(shù)人員均已對(duì)葉片進(jìn)行重新標(biāo)零，標(biāo)零后經(jīng)試運(yùn)行振動(dòng)異常狀況未得到緩解。針對(duì)結(jié)構(gòu)問題，經(jīng)技術(shù)人員排查，葉片外部外觀基本完好，葉片內(nèi)部膠粒少量脫落，在允許范圍之內(nèi)，基本排除因葉片結(jié)構(gòu)變化引起故障的原因。

2.2 振動(dòng)分析儀

技術(shù)人員拆除部分故障機(jī)組的振動(dòng)分析儀，對(duì)振動(dòng)分析儀本體及接線、接口進(jìn)行檢查，經(jīng)檢查振動(dòng)分析儀本體內(nèi)部元器件及接線正常。使用振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)正常的機(jī)組振動(dòng)分析儀與監(jiān)測數(shù)據(jù)異常故障機(jī)組振動(dòng)分析儀進(jìn)行對(duì)換，振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)與對(duì)換振動(dòng)分析儀之前無明顯變化。使用備件全新振動(dòng)分析儀更換振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常故障機(jī)組振動(dòng)分析儀進(jìn)行測試，更換后經(jīng)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)振動(dòng)值無明顯變化。檢查機(jī)艙柜內(nèi)PLC 振動(dòng)分析儀模擬量輸入模塊接線正常，因此排除振動(dòng)分析儀本體及相關(guān)接線問題[3]。

2.3 偏航系統(tǒng)

偏航電機(jī)、剎車盤等偏航系統(tǒng)部件存在故障或異常情況可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)過大。針對(duì)偏航系統(tǒng)，測量振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常故障機(jī)組偏航伴壓均在25～30bar，并且對(duì)上述機(jī)組偏航剎車盤進(jìn)行清理，清理后進(jìn)行手動(dòng)偏航進(jìn)行測試，測試均反饋手動(dòng)偏航無異響，無異常振動(dòng)，偏航電機(jī)無異常。綜上，基本排除風(fēng)機(jī)偏航系統(tǒng)導(dǎo)致機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)異常故障[4]。

2.4 高強(qiáng)螺栓力矩

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各連接處的高強(qiáng)螺栓松動(dòng)可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、軸承、塔筒等連接處連接不可靠，引發(fā)機(jī)組振動(dòng)異常。針對(duì)可能出現(xiàn)的連接問題，技術(shù)人員選取部分振動(dòng)異常故障機(jī)組進(jìn)行高強(qiáng)螺栓力矩校驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)流程，抽檢整機(jī)連接螺栓力矩的10%，包括變槳連接螺栓、輪轂與發(fā)電機(jī)連接螺栓、發(fā)電機(jī)與機(jī)艙連接螺栓、機(jī)艙與塔筒連接螺栓、每節(jié)塔筒連接螺栓，經(jīng)技術(shù)人員檢查記錄，所抽檢高強(qiáng)螺栓均無松動(dòng)，基本可以排除高強(qiáng)螺栓松動(dòng)引起的振動(dòng)異常故障[5]。

2.5 發(fā)電機(jī)

故障機(jī)組與故障發(fā)生前期剛剛完成發(fā)電機(jī)更換，經(jīng)檢查發(fā)電機(jī)與輪轂及機(jī)艙連接、發(fā)電機(jī)軸承潤滑、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡等問題均不存在，故基本排除發(fā)電機(jī)問題。但值得注意到的是，新裝發(fā)電機(jī)較舊發(fā)電機(jī)減重約18噸，且厚度較舊發(fā)電機(jī)薄750mm，尺寸及重量的變化導(dǎo)致整個(gè)機(jī)艙重心發(fā)生變化，雖在技術(shù)改造前已針對(duì)機(jī)組載荷進(jìn)行過重新核算，通過安全性評(píng)估，但并未針對(duì)共振頻率等進(jìn)行進(jìn)一步分析與參數(shù)整定優(yōu)化，故可能因發(fā)電機(jī)更換引發(fā)共振頻率的改變導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測數(shù)據(jù)異常故障。

2.6 數(shù)據(jù)分析

圖1為觸發(fā)故障前、后原始振動(dòng)值，通過調(diào)取故障期間SCADA 系統(tǒng)故障快照功能所記錄的歷次故障秒級(jí)數(shù)據(jù)，分析故障時(shí)間段的槳距角數(shù)據(jù)，形成如圖1所示曲線，觀察曲線可以看出，故障期間槳距角的波動(dòng)具有周期性，如圖2所示，經(jīng)過計(jì)算此周期頻率為0.347Hz，該頻率為塔筒一階頻率。

圖1 觸發(fā)故障前、后原始振動(dòng)值

圖2 故障期間槳距角及振動(dòng)值

一階頻率（1p）稱為固有頻率，是實(shí)際振動(dòng)中振幅最大的頻率，與一階頻率重合頻率的振動(dòng)稱為一階振動(dòng)，一階振動(dòng)振幅大、危害大，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)極力避免在一階振動(dòng)頻率下運(yùn)行，防止共振引起的倒塔事故。一階頻率的整數(shù)倍np 頻率同樣會(huì)導(dǎo)致共振，通常情況下，風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組正常運(yùn)行期間風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻會(huì)避免與np 相交，從而避免使機(jī)組一階振動(dòng)放大導(dǎo)致振動(dòng)異常。

技術(shù)人員進(jìn)行頻譜分析，發(fā)電機(jī)12rpm 轉(zhuǎn)速位置附近，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻的3p 與葉片模態(tài)有交點(diǎn)，發(fā)電機(jī)11rpm 轉(zhuǎn)速位置附近，風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻6p 與葉片模態(tài)有交點(diǎn)，這兩個(gè)交點(diǎn)附近容易引起共振，該轉(zhuǎn)速區(qū)間對(duì)應(yīng)風(fēng)速為8～0m/s，可能是該風(fēng)速區(qū)間段常導(dǎo)致風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常故障的原因。

圖3 振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜（對(duì)應(yīng)尖峰頻率0.7031Hz 或1.406Hz）

3 驗(yàn)證

振動(dòng)頻率表現(xiàn)為塔筒一階固有頻率0.3516Hz，與塔筒一階頻率值吻合。風(fēng)輪轉(zhuǎn)頻3p、6p 與葉片固有模態(tài)頻率重合，可能是塔筒一階振動(dòng)放大的原因。從振動(dòng)數(shù)據(jù)頻譜上可以看出，對(duì)應(yīng)尖峰頻率0.7031Hz 或1.406Hz。上述結(jié)果的產(chǎn)生，可能因更換發(fā)電機(jī)后未重新進(jìn)行參數(shù)整定及控制策略優(yōu)化而導(dǎo)致?，F(xiàn)已知風(fēng)輪處于10～12rpm 轉(zhuǎn)速區(qū)間會(huì)與葉片模態(tài)重合導(dǎo)致振動(dòng)異常，現(xiàn)場技術(shù)人員多次調(diào)整主控制器給定PID 參數(shù)，進(jìn)行10～12rpm 轉(zhuǎn)速區(qū)間給定轉(zhuǎn)矩優(yōu)化，避免葉片轉(zhuǎn)頻np 與葉片、塔筒固有頻率相交運(yùn)行。經(jīng)PID 參數(shù)重新整定后，故障機(jī)組振動(dòng)值出現(xiàn)顯著下降，運(yùn)行基本穩(wěn)定，但某些特殊工況下，尤其是風(fēng)速波動(dòng)劇烈時(shí)仍偶發(fā)出現(xiàn)振動(dòng)超限情況。

針對(duì)風(fēng)速突變的情況進(jìn)行分析，得出初步結(jié)論為，因傳統(tǒng)PID 控制器存在當(dāng)輸入信號(hào)波動(dòng)過大時(shí)，使用控制器內(nèi)提前設(shè)置的固定PID 參數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，可能會(huì)使調(diào)節(jié)時(shí)間變長甚至系統(tǒng)一直振蕩難以達(dá)到穩(wěn)定的缺點(diǎn)，在輸入?yún)?shù)劇烈波動(dòng)的情況下，調(diào)節(jié)時(shí)間長將導(dǎo)致參數(shù)輸出不及時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)矩的變化未能跟隨風(fēng)速的突變，技術(shù)人員仍然需要長時(shí)間進(jìn)行參數(shù)整定以及測試。針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電主控制器的缺點(diǎn)，技術(shù)人員后續(xù)計(jì)劃將傳統(tǒng)控制器更換為基于BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID 控制器進(jìn)行PID 參數(shù)自學(xué)習(xí)優(yōu)化以達(dá)到更好的控制效果。研究表明，BP-PID 的調(diào)節(jié)效果及調(diào)節(jié)時(shí)間均優(yōu)于普通PID 控制器，BPPID 控制器同時(shí)兼顧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)非線性問題的優(yōu)勢和PID 控制器的快速反應(yīng)能力，可提高異常工況下輸入?yún)?shù)突變情況下的參數(shù)輸出反應(yīng)能力，提高機(jī)組運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

4 結(jié)語

本文基于某直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)電場的振動(dòng)異常故障機(jī)組，針對(duì)直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)組振動(dòng)異常的原因進(jìn)行了詳細(xì)的故障排查與原因分析，排除長期導(dǎo)致的維護(hù)問題及振動(dòng)分析儀本體問題后，確定是由于發(fā)電機(jī)更換改造后，由于新發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)及重量的變化引起整機(jī)結(jié)構(gòu)變化，并且更換前后未進(jìn)行共振頻率分析，以及控制策略參數(shù)整定優(yōu)化引起的振動(dòng)異常。最終技術(shù)人員通過調(diào)整主控制器PID 參數(shù)、控制轉(zhuǎn)矩輸出使機(jī)組避免在產(chǎn)生共振的轉(zhuǎn)速區(qū)間運(yùn)行，從而大幅度減小異常振動(dòng)出現(xiàn)的頻次，但由于傳動(dòng)控制器的缺陷，技術(shù)人員仍不斷試驗(yàn)調(diào)整給定PID 參數(shù)，并計(jì)劃后續(xù)通過更換BP-PID 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，利用該控制器的快速調(diào)節(jié)能力以及自學(xué)習(xí)能力，優(yōu)化異常、極端工況下的輸入、輸出曲線，提升機(jī)組的安全性與穩(wěn)定性。

振動(dòng)異常在生產(chǎn)運(yùn)行中易被忽略，長期振動(dòng)異常易引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組各部分的疲勞損傷，尤其是各部件連接處，高強(qiáng)螺栓振動(dòng)加大，易引發(fā)金屬疲勞斷裂，誘發(fā)倒塔等安全生產(chǎn)事故。因此，生產(chǎn)運(yùn)行中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題不可忽視，建議生產(chǎn)運(yùn)行人員于運(yùn)行期間定期記錄機(jī)組的振動(dòng)值，當(dāng)機(jī)組處于振動(dòng)異常的情況下實(shí)行限功率運(yùn)行措施，同時(shí)制定相應(yīng)的排查策略。本文通過現(xiàn)實(shí)案例，從硬件維護(hù)到軟件策略，分析各項(xiàng)可能引起直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異常的原因，為風(fēng)電行業(yè)技術(shù)人員及生產(chǎn)運(yùn)行人員提供參考。