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风力发电机组塔筒振动分析及应对措施研究

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：常慧英

[导读] 摘要：塔筒是风电机组结构体系的重要组成部分，其结构强度直接关乎风电机组运行的稳定性与可靠性，加强其振动分析，确保塔筒结构的可靠性显得尤为重要。

        （国电联合动力技术有限公司北京海淀区 100039）
        摘要：塔筒是风电机组结构体系的重要组成部分，其结构强度直接关乎风电机组运行的稳定性与可靠性，加强其振动分析，确保塔筒结构的可靠性显得尤为重要。本文以风电发电机组塔筒为研究对象，在对其振动分析意义进行阐述的基础上，结合具体的塔筒振动分析实例，对其振动分析结果进行了分析，并提出了一些应对策略，旨在有效确保风力发电机组塔筒结构的稳定性。
        关键词：风力发电机组；塔筒；振动分析；应对措施
        在清洁能源战略下，国内风电行业得到了迅猛发展。风力发电机组作为风力发电系统的核心组成部分，其结构的稳定性是确保风力发电机组使用性能顺利发挥的重要保障。然而，风力发电机组的系统构成比较复杂，涉及到叶片、机架、主轴、轮毂与塔筒等众多组成部分，同时其本身的体量比较大，容易出现塔筒结构破坏等质量问题，尤其是容易出现严重的塔筒振动问题，影响了其运行的稳定性与安全性。基此，如何才能有效地降低塔筒振动的次数，确保风力发电机组运行的稳定性与安全性是当前值得深入探讨的重要课题之一。
        1 风力发电机组塔筒振动分析的意义
        塔筒振动问题是造成风电发电机组运行事故的一个重要成因，如果塔筒存在过大的振动问题，超过振动限值之后需要停机保护风力发电机组的安全性，这会对其发电效率以及运行的稳定性与安全性带来不利影响。而塔筒振动问题的成因众多，具体主要表现为风力发电机组的设置位置、布置形式以及本身结构问题等都可能会造成塔筒结构出现过大振动问题。为了可以有效地减少塔筒结构的振动次数，需要对其振动情况进行深入分析，之后采取对风参数进行修改等策略来减少尾流所形成的湍流涡区，进而可以降低塔筒结构出现振动问题的概率，确保风力发电机组运行的稳定性与安全性。
        2 风力发电机组塔筒振动分析的实证分析
        2.1 风力发电机组塔筒振动问题简介
        在建设风电场期间，需要对建设的地址以及机位布置形式与排列方式进行重点考察，如果没有合理地布置机位，那么会直接对风力发电机组投入运行之后的可靠性与安全性产生直接影响。本次研究中的风电场中总计安装有18台2.0MW风机，基于当地地质条件与地形条件等因素，最终确定了图1所示的点状线型风机布置形式。

        图1风机布置形式简图
        在风机投入运行之后，部分风力发电机因为塔筒振动问题而出现了报警与停机问题，影响了风力发电机组运行的可靠性、稳定性、安全性与有效性。由于风机已经投入运营，所以无法继续改变机位的安排形式，所以为了减少风力发电机组塔筒的实际振动次数，有必要采取其他的应对措施。
        2.2 风力发电机组塔筒振动原因分析
        通过对出现停机问题的风力发电机组运行情况进行调查分析，可知造成塔筒结构出现过大振动问题的原因主要是由于机位选址、机位布置以及机位排列不合理等因素造成的，具体表现为在风力发电机组的实际运行环节中发生了风向上的遮挡问题，进而使得风力发电机组之间尾流形成了湍流涡区问题，进而使得风力发电机组塔筒结构出现了比较严重的振动问题。
        以14#和15#风力发电机组为例，在某一风向的作用下，其塔筒结构会出现比较严重的振动表征，而15#风力发电机组对14#风力发电机组产生了遮挡影响，尾流造成了比较大的湍流强度，进而使得塔筒结构的振动值超过固定限值，诱发了停机故障问题。而通过对风向进行改变，此时14#和15#风力发电机组之间不存在尾流影响，所以它们没有发生塔筒结构振动问题。由此可知，造成该风力发电机组塔筒振动的主要原因是由于其它风力发电机组在风向上存在了遮挡（某一主风向作用下伴有比较高的振动频率），进而使得生成的比较大的湍流强度造成了塔筒结构振动问题。
        2.3 风力发电机组塔筒振动应对措施
        鉴于当前风力发电机组已经正式投入运行，所以无法继续改变机位布置与排列，所以在应对其塔筒振动问题期间只能够基于控制风机运行的方式来减少风机在某一主风向作用下彼此之间所形成的尾流影响。基于这一应对思路，需要对偏航对风参数进行修改，使得风力发电机组对风进行相互避让，以此实现减小彼此之间所形成尾流的影响。在风力发电机组的控制菜单当（Wind Control Dubmenu）当中，将原有的风向标偏移量默认的0°进行修改。针对存在振动问题的风力发电机组，可以结合实际的机位排列情况和布置情况，将该参数对应地修改成+3°~+5°，同时需要将在该风向上对其它风机进行遮挡的参数调整为-3°~-5°，以这种的参数修改方式可以使得风力发电机组之间进行相互避让，这样更有利于确保最终风力发电机组运行的可靠性与稳定性。
        基于上述应对思路，结合本次风力发电机组塔筒振动的实际问题，最终将2#、3#、4#、15#这4台存在严重振动问题的风力发电机组与16#和17#这2台风力发电机组，依据图1所示的风力发电机组的相对位置设置现况，做出了表1所示的风向标偏移量调整数据。
        表1 风力发电机组对风参数修正前后对比分析表

        通过依据表1所示的风力发电机组风向标偏移量进行合理地调整，最终使得某一主风向下存在振动问题的塔筒振动频次下降75%，改善效果非常显著。但是该种参数调整应对措施无法从根本上解决其塔筒振动故障，只可以减少其出现振动的次数，同时也可能会使得风机对风的准确性产生一定影响，降低了风力发电机组的实际运行效率，但是却可以在一定程度上提高风力发电机组运行的可靠性、稳定性与安全性。
        总之，塔筒振动问题是影响风力发电机组运行稳定性与安全性的一个重要因素，主要诱因表现在风力发电机组选址、排列与布置方式等方面，其中任何一个方面存在问题都容易诱发塔筒振动问题。基此，在风电场建设过程中，要提前重点考虑这些问题，确保后续投入运行后可以高效、稳定、安全地运行。
        参考文献：
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        [2]王志强.浅谈风力发电机组塔筒振动分析及应对[J].科技经济导刊.2017，32（30）：64-65.
        [3]王清波，赵朝前，陈婷.不同约束条件下风机塔筒扭转自由振动特性分析[J].邵阳学院学报.2019，23（4）：142-143.