王澤坤， 賈 彥， 許 瑾， 蔡 暢， 宋娟娟

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，呼和浩特 010051；2.中國科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190)

風(fēng)電機(jī)組通常安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，并長期在惡劣環(huán)境中工作，其承受的負(fù)載尤為復(fù)雜[1-3]。因此，對風(fēng)電機(jī)組的早期故障進(jìn)行檢測至關(guān)重要。為了提高能源利用率，風(fēng)電機(jī)組朝著大型化方向發(fā)展，這也使得單位風(fēng)電機(jī)組的成本更高，如果風(fēng)電機(jī)組發(fā)生故障，將會造成更大的損失。其中，風(fēng)輪葉片的氣動不平衡故障將會降低年發(fā)電量，甚至加劇疲勞造成的機(jī)組損壞[4-5]。因此，風(fēng)電機(jī)組葉輪氣動不平衡問題已經(jīng)成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。

Niebsch等[6]提出了一種僅根據(jù)振動數(shù)據(jù)來確定葉片槳距角安裝偏差和質(zhì)量不平衡的檢測辦法，但該方法在實(shí)際操作中較為麻煩。劉強(qiáng)[7]針對風(fēng)電機(jī)組變槳系統(tǒng)的各類故障，提出了一種基于支持向量機(jī)的故障診斷方法。An等[8]提出利用無線傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)來對風(fēng)輪不平衡進(jìn)行識別，但該方法成本較大，不利于提升機(jī)組的整體經(jīng)濟(jì)性。Kusnick等[9]采用FAST軟件對一臺5 MW海上風(fēng)力機(jī)質(zhì)量不平衡和槳距角安裝偏差引起的氣動不平衡進(jìn)行建模和仿真分析。Bae等[10]也發(fā)現(xiàn)由于風(fēng)輪的氣動不平衡故障，導(dǎo)致塔架和葉片動力學(xué)中的1P、2P和3P激勵和響應(yīng)更加明顯。

目前，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組槳距角安裝偏差對葉輪氣動平衡影響的研究較少，并且缺少在實(shí)際操作中較為方便的檢測方法。筆者以風(fēng)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中的氣動不平衡問題為背景，針對風(fēng)電機(jī)組葉片槳距角安裝偏差對風(fēng)輪氣動平衡的影響進(jìn)行深入研究，并提出一套適用于不同型號風(fēng)電機(jī)組槳距角安裝偏差的判定方法。

1 風(fēng)電機(jī)組基本參數(shù)

研究對象為中國船舶重工集團(tuán)海裝風(fēng)電股份有限公司所提供的陸上某5 MW風(fēng)電機(jī)組，該機(jī)組部分參數(shù)見表1。圖1為風(fēng)電機(jī)組葉片槳距角安裝偏差示意圖，其中正偏差方向與葉片正常變槳方向相同。

圖2給出了穩(wěn)態(tài)條件下該風(fēng)電機(jī)組發(fā)電機(jī)輸出功率Pout、葉片槳距角θpitch和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速wr隨風(fēng)速的變化。其中，A、B、C、D分別表示機(jī)組的并網(wǎng)控制、定風(fēng)能利用系數(shù)Cp控制、定轉(zhuǎn)速控制和定功率控制4個(gè)風(fēng)電機(jī)組控制區(qū)間。A區(qū)中，wr保持不變，Pout逐漸增大，機(jī)組未進(jìn)行變槳；B區(qū)中，隨著風(fēng)速增大，wr和Pout不斷增大；C區(qū)中，wr保持不變，Pout隨風(fēng)速的增大不斷增大；進(jìn)入D區(qū)后風(fēng)電機(jī)組開始變槳，控制Pout和wr保持不變，隨著風(fēng)速增大，θpitch逐漸增大。

表1 風(fēng)電機(jī)組部分參數(shù)

圖1 風(fēng)電機(jī)組葉片槳距角安裝偏差示意圖

圖2 在穩(wěn)態(tài)條件下風(fēng)力機(jī)參數(shù)隨風(fēng)速的變化

圖3為葉片載荷的模擬坐標(biāo)系[11]。其中，ZB軸方向沿徑向葉片變槳軸，XB軸方向指向塔架，YB軸垂直于葉片軸和主軸，獨(dú)立于旋轉(zhuǎn)方向和塔架葉輪位置,FXB、FYB和FZB為各方向的葉片推力,MXB、MYB和MZB為各方向的葉片轉(zhuǎn)矩。

圖3 葉片載荷模擬坐標(biāo)系設(shè)定

2 槳距角安裝偏差對機(jī)組參數(shù)的影響

采用GH Bladed軟件對風(fēng)電機(jī)組葉片槳距角安裝偏差進(jìn)行模擬。風(fēng)況類型選取3D湍流風(fēng)，根據(jù)IEC ⅡA風(fēng)區(qū)所對應(yīng)風(fēng)速為15 m/s時(shí)湍流密度期望值為0.16，可以得到不同風(fēng)速下DLC1.2工況下3個(gè)方向的湍流強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，從而進(jìn)一步生成3D湍流風(fēng)，其平均風(fēng)速取3.5～21.5 m/s，步長間隔為1 m/s；由于一般情況下，葉片不會存在較大的槳距角安裝偏差，因此葉片槳距角安裝偏差設(shè)定為-5°～5°，步長間隔為1°,模擬時(shí)長設(shè)為600 s。為消除初始模擬階段多種因素對結(jié)果的影響，輸出30～630 s的模擬結(jié)果，輸出步長為0.05 s。

2.1 風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與葉根彎矩動態(tài)響應(yīng)

圖4給出了不同平均風(fēng)速下葉片槳距角安裝偏差對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速wr的影響,其中t為時(shí)間。

當(dāng)平均風(fēng)速為6.5 m/s時(shí)，機(jī)組單葉片存在槳距角安裝偏差時(shí)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速有所降低。如圖4(a)所示，當(dāng)偏差角分別為0°、2°、-2°、5°和-5°時(shí)，平均風(fēng)輪轉(zhuǎn)速分別為7.52 r/min、7.44 r/min、7.50 r/min、7.23 r/min和7.46 r/min。其主要原因?yàn)闃嘟前惭b偏差會使偏差葉片的槳距角增大，偏差葉片的翼型攻角減小(見式(1))。在6.5 m/s的平均風(fēng)速下機(jī)組單葉片存在槳距角安裝正偏差時(shí)，偏差葉片的葉根彎矩平均值會減小，其減幅與偏差角成正比，并且會降低葉根彎矩Mx的波動幅度，如圖5(a)所示；當(dāng)機(jī)組單葉片存在槳距角安裝負(fù)偏差時(shí)，偏差葉片的葉根彎矩平均值會增大，增幅與偏差角成正比，并且會提高葉根彎矩的波動幅度。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因?yàn)闃嘟前惭b正偏差使偏差葉片的真實(shí)槳距角增大，翼型攻角減小，使得氣動載荷減小，進(jìn)而葉根彎矩減小。當(dāng)單葉片存在槳距角安裝負(fù)偏差時(shí)，偏差葉片的真實(shí)槳距角減小，翼型攻角增大，使得氣動載荷增大，進(jìn)而葉根彎矩增大。

圖4 不同平均風(fēng)速下葉片槳距角安裝偏差對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的影響

θat=φ-θ0

(1)

式中：θat為翼型攻角；φ為入流角；θ0為槳距角與葉素對應(yīng)扭角之和。

(2)

式中：Qr為減去機(jī)械損失后的風(fēng)輪實(shí)際轉(zhuǎn)矩；G為齒輪箱傳動比，對于直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組，G=1；Qg為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Ir為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動慣量。

如圖4(b)所示，當(dāng)平均風(fēng)速為9.5 m/s時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速均在風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速10.04 r/min附近波動，不隨槳距角安裝偏差的變化而改變。此時(shí)，機(jī)組處于定轉(zhuǎn)速控制區(qū)，控制系統(tǒng)會通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩來維持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速恒定。當(dāng)機(jī)組單葉片存在槳距角安裝偏差時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動范圍隨偏差角的增大而有所增大。在此風(fēng)速下，槳距角安裝正偏差仍然會降低偏差葉片的葉根彎矩平均值，槳距角安裝負(fù)偏差會增大偏差葉片的葉根彎矩平均值。并且，隨著平均風(fēng)速的提高，葉根彎矩平均值整體明顯增大,如圖5(b)所示。

如圖4(c)所示，當(dāng)平均風(fēng)速為15.5 m/s時(shí)，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律與平均風(fēng)速為9.5 m/s時(shí)類似。在不同偏差角下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速均在額定轉(zhuǎn)速附近波動。這是因?yàn)楫?dāng)平均風(fēng)速為15.5 m/s時(shí)，機(jī)組處于定功率控制區(qū)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到最大，控制系統(tǒng)會通過調(diào)節(jié)葉片槳距角來維持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速恒定，從而保證輸出功率恒定。由式(2)可知，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變的情況下，如果想維持風(fēng)輪轉(zhuǎn)速恒定，需保證風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩恒定。此外，在該平均風(fēng)速下槳距角安裝偏差所引起的風(fēng)輪不平衡會導(dǎo)致風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的波動幅度隨著偏差角的增大而增大。如圖5(c)所示，平均風(fēng)速為15.5 m/s時(shí)偏差葉片葉根彎矩平均值變化趨勢與平均風(fēng)速為6.5 m/s和9.5 m/s時(shí)相同。

圖5 不同平均風(fēng)速下槳距角安裝偏差對葉根彎矩Mx的影響

2.2 葉尖變形量動態(tài)響應(yīng)

圖6給出了不同平均風(fēng)速下機(jī)組單葉片存在不同偏差角時(shí)，偏差葉片葉尖變形量Dx的變化。當(dāng)平均風(fēng)速為6.5 m/s和9.5 m/s時(shí)，機(jī)組處于定Cp控制區(qū)，通過追蹤最優(yōu)尖速比可實(shí)現(xiàn)輸出功率最大化。在6.5 m/s和9.5 m/s平均風(fēng)速下機(jī)組單葉片存在槳距角安裝正偏差時(shí)，偏差葉片的葉尖變形量會減小，且減幅與偏差角成正比；當(dāng)機(jī)組單葉片存在槳距角安裝負(fù)偏差時(shí)，偏差葉片的葉尖變形量會增大，且增幅與偏差角成正比。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因是槳距角安裝正偏差使偏差葉片的真實(shí)槳距角增大，翼型攻角減小，從而使氣動載荷減小，葉片變形量也進(jìn)一步減小。當(dāng)單葉片存在槳距角安裝負(fù)偏差時(shí)，偏差葉片的真實(shí)槳距角減小，翼型攻角增大，從而使氣動載荷增大，葉片變形量也增大。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行處于未變槳前階段時(shí)，偏差葉片的葉尖變形量波動幅度會隨平均風(fēng)速的增大而增大。這是由于該階段平均風(fēng)速的增大導(dǎo)致施加在葉片上的載荷增大，葉片的氣彈變形量也相應(yīng)增大。

當(dāng)平均風(fēng)速為15.5 m/s時(shí)，雖然葉尖變形量的趨勢與平均風(fēng)速為6.5 m/s和9.5 m/s時(shí)相同，但在偏差角一定的情況下，偏差葉片的葉尖變形量會減小。這是由于在該平均風(fēng)速下機(jī)組調(diào)節(jié)葉片槳距角，從而降低了葉片載荷，使得葉尖變形量減小。

圖6 不同平均風(fēng)速下槳距角安裝偏差對葉尖變形量Dx的影響

3 槳距角安裝偏差的識別定位

通過對所有工況下機(jī)艙軸向加速度進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，可以得到各工況下機(jī)艙軸向加速度響應(yīng)的頻譜圖。如圖7所示，在湍流風(fēng)下偏差角為0°時(shí)頻譜圖主要在3P(風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率)、1stT(一階塔架固有頻率)和2ndT(二階塔架固有頻率)處出現(xiàn)峰值。當(dāng)偏差角為5°時(shí)頻譜圖主要在1P(1/3風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率)、3P、1stT和2ndT處出現(xiàn)峰值。

由于1P和3P與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速相關(guān)，在湍流風(fēng)下風(fēng)輪轉(zhuǎn)速波動幅度較大，因此頻譜圖中1P和3P并不固定，且由于上述原因，頻譜圖中的峰值會在一定范圍內(nèi)多次出現(xiàn)，本文選取各理論頻率±0.02 Hz內(nèi)的最大幅值。

圖7 平均風(fēng)速為6.5 m/s時(shí)不同偏差角下機(jī)艙軸向加速度頻譜圖

當(dāng)機(jī)組存在槳距角安裝偏差時(shí)，機(jī)艙軸向加速度頻譜圖會在1P處出現(xiàn)峰值，且其幅值會隨偏差角的增大而增大，尤其在高平均風(fēng)速下增幅非常顯著。平均風(fēng)速一定時(shí)偏差角增大或偏差角一定時(shí)平均風(fēng)速增大均會導(dǎo)致風(fēng)輪不平衡更明顯，從而1P處幅值增幅顯著，而1stT和3P處幅值變化較小?；诖?，提取出所有工況下機(jī)艙軸向加速度頻譜圖中1P、1stT和3P處幅值并進(jìn)行分析，見圖8。

圖8 不同偏差角下1P、1stT和3P處幅值隨平均風(fēng)速的變化

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組單葉片不存在槳距角安裝偏差時(shí)，在不同平均風(fēng)速下1P處幅值始終小于3P和1stT處幅值，此時(shí)風(fēng)輪平衡無故障。當(dāng)機(jī)組單葉片存在槳距角安裝偏差時(shí)，1P處幅值顯著增大，在高平均風(fēng)速下成為主頻率，此時(shí)風(fēng)輪處于失衡狀態(tài)，而3P處幅值在小范圍內(nèi)波動,這將大幅提高事故發(fā)生率。值得注意的是，在剛切入的低風(fēng)速區(qū)，偏差角不同時(shí)3P處幅值始終大于1P處幅值。因此，由槳距角安裝偏差而產(chǎn)生的事故通常處于高風(fēng)速環(huán)境中。

將1P與3P處的幅值之比δ進(jìn)行擬合，得到槳距角安裝偏差判定圖，見圖9。

在對實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行槳距角安裝偏差判定時(shí)，可通過振動傳感器、應(yīng)變片、激光測距雷達(dá)等儀器測量得到機(jī)組輪轂高度處對應(yīng)的平均風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)速、葉根彎矩、葉尖變形量以及機(jī)艙軸向加速度，首先對槳距角安裝偏差的方向進(jìn)行判定；其次，對機(jī)艙軸向加速度進(jìn)行頻譜分析，得到δ，再根據(jù)對應(yīng)的偏差角范圍(見圖9)來判定機(jī)組實(shí)際偏差角的大?。恢髮ε卸ǖ玫降钠罱沁M(jìn)行反饋；最后通過自動控制變槳或手動變槳來消除槳距角安裝偏差引起的風(fēng)輪不平衡。對于實(shí)際風(fēng)電場的應(yīng)用，只需利用所提方法計(jì)算2～3臺機(jī)組完善和優(yōu)化的偏差判定圖，即可適用于同一型號的所有機(jī)組，無需針對風(fēng)電場中每臺機(jī)組均進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算。

(a) 正偏差

(b) 負(fù)偏差

筆者利用機(jī)艙振動數(shù)據(jù)檢測實(shí)際運(yùn)行中的風(fēng)輪不平衡故障,并提出一種風(fēng)輪葉片槳距角安裝偏差判定方法,后續(xù)將采用實(shí)驗(yàn)方法驗(yàn)證所提方法的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

(1) 風(fēng)電機(jī)組葉輪單葉片槳距角安裝偏差的存在會降低低風(fēng)速下的葉輪轉(zhuǎn)速，但對高風(fēng)速下的葉輪轉(zhuǎn)速影響不大。

(2) 當(dāng)風(fēng)電機(jī)組單葉片存在槳距角安裝正偏差時(shí)，偏差葉片的葉根彎矩平均值和葉尖變形量在運(yùn)行工況下的任何階段都會減小。相反，當(dāng)風(fēng)電機(jī)組單葉片存在槳距角安裝負(fù)偏差時(shí)，偏差葉片的葉根彎矩平均值和葉尖變形量在運(yùn)行工況下的任何階段都會增大。此結(jié)論可用來定位偏差葉片以及偏差角的方向。

(3) 風(fēng)電機(jī)組單葉片槳距角安裝偏差所引起的氣動不平衡會在機(jī)艙軸向加速度頻譜圖中出現(xiàn)明顯的1P特征,且偏差角越大，1P處幅值越大，但3P處幅值變化較小。因此，需要以平均風(fēng)速和1P/3P為指標(biāo)，得到風(fēng)輪單葉片槳距角安裝偏差判定圖,對偏差角進(jìn)行精準(zhǔn)識別。