（大唐广元风电开发有限公司 四川广元 628000）
摘要：由于山地风电场地形复杂，地表粗糙度大，风机机位布局空间有限等原因导致风机在实际运行中受到的风剪切、风湍流、塔影效应、偏航误差等环境因素较大，特别是在大风期间，使风机受到的不均衡载荷过大，降低风机运行稳定性。本文通过对风机大风期风机控制策略进行优化，减少风机因环境因素造成的保护停机次数，从而提高风机运行的稳定性。
关键词：山地风电场；塔筒振动紧停；风机结构振动监测器；阈值
Analysis and optimization of fan vibration shutdown in mountain wind farm under turbulence mode
Wangyingkao
（Datang Guangyuan Wind Power Development Co., Ltd.,Sichuan Province Guangyuan City 628000）
ABSTRACT: Due to the complicated topography of the mountain wind electric field, the large surface roughness and the limited layout space of the fan, the wind shear, wind turbulence, the tower shadow effect, the yaw error and other environmental factors are caused by the wind turbine in the actual operation, especially during the high wind, which makes the fan unevenly loaded and reduces the fan operation. Stability. In this paper, the control strategy of fan in winder wind period is optimized to reduce the number of shutdown times caused by the environmental factors, so as to improve the stability of the fan operation.
KEY WORD: Mountain wind farm Tower cylinder vibration stop Fan structural vibration monitor threshold
引言
经过近十年风电行业在我国的迅猛发展，国内大部分风资源较好、开发难度低的平原区域风机装机容量已经接近饱和。随着风电技术的发展，度电成本降低，各大企业将风电开发的矛头指向了风资源较差、开发难度大的山地区域。
某山地风电场地处秦巴山脉，风电场风机平均海拔高度1300米，山势陡峻，风电场装机容量50MW，为25台单机容量2MW的双馈式风电机组，风轮直径116米，塔架高度80米。该风电场主风向为偏北风，在春季，冷暖气团频繁交替，气旋影响下风速较大，局部区域受地形影响较大，气流经过山地时，因受到各种地形的阻碍，会改变其运行方向和速度。尤其每年四、五月影响最为显著，有5-10天风电场平均风速超过15m/s，风资源表现出风速风向短时变化快、湍流强度大两个显著特点，使得该风电场风机出现频繁触发机舱振动开关，风机安全链断开而造成停机问题，具体如图1所示。
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图1 瞬时风速变化图
从现场提取的风机运行数据可以看出3秒内该台风机相对风向由0°变化至-115°，同时风速由18m/s降至8m/s，风速风向存在短时突变现象。
为减缓风机受山地复杂风况影响，提高设备可利用率与风电场发电效益，开展对风机控制逻辑进行了分析与优化。
1 故障分析
该山地风电场风速风向短时突变为造成机舱振动开关频繁触发的主要原因，排除此不利自然条件对风机运行的影响，我们还应充分考虑机组本身的硬件配置与软件控制逻辑是否满足风机运行的需要，从而探究解决之道。
1.1 故障原理
该风电场风机所用数字式风机结构振动监测器，是一款进口并通过GL认证的数字集成化产品，广泛运用于国内各大整机厂商主流机型的振动监测与保护。检测器配置的冲击安全监测系统(Shock Safety Detection,简称SSD监测系统)通过外置的两个加速度传感器采集到风机的轴向、径向振动数据，并监测风机受到的瞬时振动峰值，当SSD监测到超过预先设置好的危险报警阈值时，便通过一个内部继电器使风机安全链回路开路，从而触发风机“振动开关紧停”故障而保护停机。
该机型振动监测器安装在风机发电机驱动端下方风机机架上，通过模块内置的加速度传感器监测来自机架的轴向与径向振动。
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图2 振动监测器安装及原理图
根据该机型的运行经验，设备厂商将该风电场风机振动监测危险报警值设置为0.5g。由下图可以看出该风机故障触发瞬间SSD监测到的振动峰值已经达到0.6g，因此我们认为该风机属于保护正确动作停机。
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图3 振动监测器监测峰值图
1.2 故障原因分析
风机的振动问题主要集中在四个方面：①风轮的气弹效应；②机械传动链的扭曲振动，可能会受到气动效应和电气特性的激励；③偏航运动引起的振动问题；④风轮-塔架耦合的整机振动。为论证故障发生的诱导因素，我们提取每一次故障触发时的历史数据进行综合分析。
首先，对比了故障发生前后传感器采集到的带宽为0.2HZ—0.4HZ内的风机传动链与塔筒的振动数据。该数据作为风机一般振动保护一级、二级报警的输入信号，该机型一般振动保护的一级、二级报警值分别设置为0.065g、0.1g。通过图4可以看出该风机故障停机前（横轴第60s之前）塔筒前后振动、塔筒左右振动、传动链上下振动值总体平稳并远小于振动报警值，说明风机故障发生前振动状态良好，风机传动链及塔架不存在结构破坏问题。
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图4 塔筒振动事故追忆图
其次，对比风机变桨、力矩控制与反馈信号，进一步排除风机由于桨叶角度不一致而导致的偏载，以及由控制系统引起的转矩、转速波动。如图5所示，该风机三面叶片桨角位置与目标位置重合，变桨系统平稳运行；实际力矩跟踪给定力矩较好，最大差值在100Nm以下。
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图5 风机力矩图
再者，对于发电机、高速轴、变频器转速进行对比，三个测点测量数据吻合，风机不存在由于转速检测错误而引起的错误控制；同时故障发生前风机转速运行平稳，风机转速、力矩控制环均能有效控制。结合该机型在其他地区的运行情况调查，该机型叶片设计合理，3叶片控制平衡，不存在气弹效应引发的振动。
最后，我们通过大量故障数据比对，提取出故障发生前风机偏航运行数据，发现大部分风机故障触发前均处于偏航对风状态，偏航阻尼为15bar左右，且电缆扭角平稳变化。当风机处于偏航动作或对风误差的情况下，风机易受风切变或塔影效应等激励源作用，而引起风轮和机舱振摆。
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图6 风机发电机、高速轴、变频器转速图
1.3 要因确认
第一：通过上述分析，该山地风电场风机为提高发电能力，选用了较长的风机叶片。按照贝兹理论，作用在整个风轮上的轴向推力为：
Fa=½ ρSv2
气流通过风轮所产生的推力Fa等于单位质量m穿过环形面时与速度变化的乘积，叶片长度增加，风电机组要承受更多经过风轮面的非对称荷载，塔影效应、风剪切、倾斜的入流角或者湍流都是不对称荷载形成的主要因素，无疑加剧了风机的气弹效应，直接作用在支撑风轮的塔架上，高湍流的工况更是强化了风机的振幅。
第二：来自偏航动作或风速突变引起的径向振动是造成振动监测器频繁报警的另外一个原因。
2 优化措施
针对以上分析，基于减小风轮推力和降低偏航对风影响两个方面进行了逻辑与算法优化，以解决塔筒振动问题。
2.1 减小风轮推力
根据风机桨叶的空气特性，风能利用系数是叶尖速比λ 和桨距角β 的函数，Cp= Cp（λ，β），风机捕捉到的实际有用功率输出是：
P=½S Cp（λ，β）v3
式中：P为风轮吸收的功率，V为来流风速，S为风轮扫掠面积，Cp为风能利用系数。
在变速恒频风电机组，通过变桨控制来调整风机叶片的桨距角，从而实现风机载荷优化以有效降低机组的风轮推力，降低叶片、轮毂和塔架载荷，综合提高风机性能。
对于该风电场，我们将对影响风机载荷变化最为显著的湍流强度作为变桨控制的判定条件，结合运行经验计算出湍流强度特征值，并在风机主控制器内部增加高湍流运行模式。在逻辑运算中将该风电场湍流强度特征值与实际湍流强度值进行比较，当实际湍流大于等于该特征值时便由主控制器向变桨控制器发出主动调桨指令；与此同时加入超速抑制算法，根据控制经验模拟出桨角与风速的微分关系，由于叶片桨角与风机转速强耦合，因此根据风速变化的快慢加入一定的变桨速度增益。通过以上两点，旨在保证风机安全运行的同时降低风轮受到的风压推力，控制塔架振动开关动作频率。
2.2 降低偏航对风影响
降低偏航对风影响必须考虑风机自身的因素，也要充分结合该山地风电场运行工况造成的外部环境影响。
首先，该风电场主风向为偏北风，当风机运行在主风向时我们认为来流风向变化是受地形因素引起的瞬时变化，在较短时间内能恢复原风向，对此我们通过增加响应延时来避免风机偏航系统不必要动作。在此基础上，我们进一步对风机偏航对风的启动偏差角度进行分级，按平均偏航误差的角度分四级并对应不同延时启动偏航，并通过主控制器程序逻辑修改得以实现。
其次，排除以上情况，风向在一定时间内无法恢复到原方向时，风机必须进行偏航对风，否则将使风轮与机舱受到较大的偏载而引起振动。对此，我们一是通过调高偏航刹车阻尼，将原15Bar阻尼压力调升至20Bar，提高风机偏航稳定性；二是结合实际风速与风机输出功率，当机组有功功率在90%以上时，先降低有功功率至50%再启动偏航对风，限制风轮推力与偏航对风激振源产生耦合而加剧风机振动。
3 优化效果及下一步措施
经过我们逐步采取的优化措施，取得了一定的实际应用效果，如下表所示：在经过一系列的优化后，振动开关动作次数明显减少，该问题有效缓解。
表1 风机振动程序优化前后对比图
通过上表可以看出“塔筒振动开关紧停”故障呈明显下降趋势。为了深入验证优化效果，特抽取特征明显的2209号机组的进行分析：
通过以上优化前后的对比图可以看出，优化前5月10日至6月10日期间与优化后6月29日至7月29日期间该台风机湍流强度基本在同等水平，然而优化前该台风机的塔筒前后振动（蓝色趋势线）、塔筒左右振动（红色趋势线）值多次超过0.03g，且塔筒左右振动值最高达到0.08g；优化后该台风机塔筒前后振动、塔筒左右振动值在观察期内从未超过0.03g，且塔筒左右振动值趋势平稳，无明显突变。
综上所述，该风机在风况差别不大的情况下，优化后的塔筒振动数据明显优于优化前的振动数据，说明我们的一系列降振措施取得一定的效果，特别是在降低塔筒左右振动方面效果更加明显。
山地风电场地形复杂，即使非常邻近的地点，其风向和风速也可能差异很大。山地的风速一般是随海拔高度升高而增大的，但地形的影响有时甚至比海拔的影响还大，在迎风坡风速随高度增大，但在背风坡风速随高度的变化就不明显，而且平均风速比迎风坡小。通常山地、峡谷、湖泊和河谷等地形对风有加速效应。因此不同机位的风机还应对其进行定制化，结合地形特点，调整其运行参数，同时可以将更多的环境变量引进控制逻辑的设计中，从而提高风机对环境的适应性和发电能力。
图8 优化后风机塔筒振动数据图
4 结束语
对于风机这种自动化程度高、运行环境多变量、检修维护环境制约大的大型机电设备，提高其对环境的适应性永远是研究控制的方向。随着科技进步，大数据的应用不断延伸到各行各业中，以大量的数据作为控制决策的支撑增加了技术人员对设备运行情况的掌握，同时自适应功能的运用，提高了设备自主学习的能力，加强了设备对环境的适应性。
参考文献
［1］叶杭冶.风力发电机组的控制技术.机械工业出版社,(2015-5).
［2］从建鸥,陶威良.低风速风电发展综述.技术探讨,第五卷,第三十期(2015-10).
［3］欧阳华,巫发明,王靛,王磊,李慧新.湍流强度对兆瓦级风电机组的影响.大功率变流技术.
［4］戴烁明,田德,邓英,刘思,汪宁渤.基于叶素动量理论的风力机气动性能计算分析.
作者简介
王应考，男，甘肃人，大学本科，工学学士，主要从事风力发电厂管理及检修工作。四川省广元市大唐广元风电开发有限公司党委书记，628000。