汪海成
中国水电工程顾问集团有限公司 北京市 100000
摘要： 近年来，风力发电作为一种绿色能源在我国迅速发展，风电装机不断加大，机组数量不断增多，为保证机组设备的安全，风机厂家会相应对风机系统配置各种各样的保护，来确保机组在运行过程中发生异常时能够安全解列，其中风机振动超限就是一个常见的机组故障保护，主要是保证机组振动值在超过定值时机组停运，避免发生设备损毁或机组倒塌，我国早期投运的的1.5MW风机只配置两个振动传感器，振动监测较现在技术较为简单，当机组出现振动超限故障时，因涉及电气、传动、控制、结构、环境等多因素，分析处理都有一定难度，本文通过对某风场发生的振动超限故障进行研究，分析发生振动超限的原因，提出应对措施，提高风机安全和稳定性。
关键词：风机； 振动； 原因分析； 解决措施
引言：随着风力发电技术的发展，风机振动状态监测技术也得到较大的发展，目前，风机振动在线监测系统已成为风力发电机组一个重要的组成部分，对风机传动链进行24h监测。而早期投产的风力发电机组，因技术限制，只在传动链上配置两个振动传感器，分别安装在齿轮箱和发电机下方，振动传感器拾取的振动信号不能够直接反映振动源的信号特征，而且还容易受外部干扰，所以机组运行过程中，经常会发生振动超限故障，影响风机稳定运行和造成一定电量损失，更严重的会影响到风机整机安全，所以，当风机发生振动超限故障，就需要运行单位尽快排查故障原因并采取措施，保证风机安全稳定运行。
一 、风机振动原因分析
云南某风电场作为较早在云南高海拔地方开发建设的风电场，安装的双馈式风力发电机组，2012年投产以后，机组经常发生振动超限故障，尤其在大风阶段，频率更高，严重影响风电场正常运营，为了彻底解决风机振动问题，通过对风场内风机发生的振动超限故障原因进行分析，发现主要为以下几个方面的问题：风向变化过快、风速湍流度大、传感器误报、传动链波动、叶片零位误差等几个方面原因。
（一） 风向变化过快
风力发电机组采取主动对风系统来捕捉风能，通过机组上安装的风向标来进行测风，风机位置与测风位置超过一定角度，控制系统启动对风。由于风电场内部分风机位置原因，测风风向变化快，风机偏航系统无法及时进行对风，使风机受到侧面风吹动可能导致振动超限。
（二） 风速湍流度大
风力发电机组通过变桨系统来调节叶片的扫风面积，最大程度捕获风能，一般机组在设计时，通常会考虑风速湍流度，确保叶片调节速率满足要求，如果风速变化太大，超出设计标准时，就会存在变桨系统无法及时调整桨叶角度，引起机组振动，从而造成机组停机，如图机组振动超限故障图，故障时刻风速变化剧烈湍流度较大，此刻湍流度为0.467(转换到15m/s)，已超过IEC-61400-1规定的设计标准。
2#故障图
根据IEC-61400-1中的规定，A类风机对湍流度的要求是15m/s的湍流度不高于0.16，如表1。
表1 设计标准
Vref:50年内10分钟最大风速
（三） 振动传感器误报
运行过程中，还经常发生的振动超限原因就是，传感器因受到干扰或异常放电、传感器接线松动等问题引起振动传感器误报，造成机组停运，如图3为9#振动传感器误报故障图，1B和2A均测量前后方向加速度，该故障1B和2A方向偏差较大，后确认为传感器误报。
（四） 传动链波动
风力发电机组传动链作为机组的转动部位，负责将动能向电能的转化，主要包括主轴、滚动轴承、变速齿轮箱和发电机等主要部件组成，作为风机主要的动量产生系统，如果机组在运行过程中，传动链出现波动，就会造成风机载荷增大，报出振动超限故障。
二、解决风机振动采取的措施
为解决风场振动超限问题，通过对发生振动的机组运行数据进行分析，根据机组振动发生的原因，采取的防振动措施主要有增加风向变化过速保护、风速变化预估策略、传动链波动抑制技术、振动传感器硬件整改和校核叶片零位五个方面。
（一） 风向变化过速保护
某台机组风向变化过快，风向从10度变化至42度，振动载荷随之增大，同过深度学习比对，确定风场风机的安全运行边界，当检测到风向变化即将超过安全边界时，风机提前动作，进行偏航操作，躲避风向变化造成的冲击，有效降低风机不平衡载荷，减少由此导致的振动故障停机次数。
（二） 风速变化预估
为了避免风机因风速变化太快，风机变桨系统调节速率低造成机组振动超限，电场应用风速预估对将来特定时间段内风速进行预估，针对风速湍流度较大工况和变化剧烈的风况，如图6为风速预估器预测40s到70s风速变化情况，时间在50s时风速忽然变大时，为保持转速平稳桨角也随之而变大，运行到58s时风速突然降低，桨叶也随之减小，若风速连续频繁出现类似波动，将引起桨角剧烈变化，可能导致振动超限，当采用风速预估器预测到此种风速时，控制系统根据预测结果，就可以提前进行变桨操作，适当调整桨叶角度使其平稳变化降低振动超限风险。
（三） 传动链波动抑制技术
传动链在能量传递过程中不可避免出现波动，通过优化控制策略，在传动链异常波动时，优化变流器及发电机控制，可以起到抑制传动链波动的效果，达到降低振动的目的。如图8，机组在满负荷运行过程中，两条红线之间的区域未施加抑制技术，明显可以看出，传动链波动明显高于红线外区域，通过现场运行情况来看，传动链波动抑制技术对传动链波动有明显抑制作用，也可适当降低机组的振动。
（四） 防振动硬件整改
由于风场地处云南高海拔地区，空气湿度大，运行环境较差，厂家未能充分考虑到这一特殊工况，机组振动传感器按照平原低湿度工况配置，导致机组在运行一段时间后，振动传感器经常发生误报，造成机组停运，为彻底解决该问题，电场根据环境特点，使用抗干扰性能更好、高原防潮的振动传感器替换原传感器，进一步提升传感器的抗干扰能力和防潮能力，避免了因传感器自身误报引起机组停运的情况，提升传感器运行的稳定性。
（五） 校核叶片零位
叶片作为风机的受风位置，运行工况直接影响风机的整体性能，要保证三支叶片的同步运转，所以叶片零位设置是至关重要的，如果叶片零位设置存在误差，将会造成风机运行不平衡振动加大，同时也影响风机的发电效率，2017年风电场风机就发生过因其中一支叶片零点位置设置出现误差频繁报振动超限故障，现场经过多次排查，重新设置零点才将故障彻底消除。
三、取得的成效
通过对风机振动超限原因进行分析，采取风向变化过速保护、风俗预估技术、转速滤波技术、传动波动抑制技术，进行防振动硬件整改，重新校核叶片零位等一系列措施，使风场风机发生振动超限故障大大降低，进一步提高设备的可靠性。
结语：综上所述，早期投产的兆瓦机组因技术限制，在机组振动监测方面技术还不成熟，但设备还有较长的服役期，风机的振动问题对风机安全稳定运行带来很大的影响，所以，正确分析振动原因并采取相应措施，既能提升设备质量保证安全稳定运行，也可以快速解决问题，降低成本，提高设备使用效率。