风电机组整机系统振动检测与故障诊断
目录
1 风电机组加阻减振控制策略 (1)
1.1塔筒前后振动控制 (1)
1.2塔筒侧向振动控制 (1)
1.3传动链扭转振动控制 (1)
2 塔筒 (2)
2.1塔筒前后弯曲振动（1） (2)
2.2塔筒前后弯曲振动（2） (5)
2.3塔筒前后弯曲振动（3） (9)
3 机舱 (14)
3.1机舱相对塔筒扭转振动（1） (14)
3.2机舱相对塔筒扭转振动（2） (19)
4 传动链 (25)
4.1传动链扭转振动（1） (25)
4.2传动链扭转振动（2） (31)
1 风电机组加阻减振控制策略
1.1 塔筒前后振动控制
对于大型风力发电机组，叶片桨距角的变化直接影响塔筒的振动幅度和载荷，且塔筒前后一阶模态为主要模态。
塔筒前后振动的动态特性可以近似为简单的二阶谐波阻尼系统，如果变桨距动作引起的附加力与塔筒的前后振动速度成正比，可明显地增加有效阻尼，削减外力。
由于测量加速度比测量速度更容易，机舱的加速度传感器可很容易得到塔筒的前后振动加速度，积分后即得到塔筒前后振动的速度，将振动速度通过一个带增益的二阶滤波器即可得到该阻尼信号，在原有桨距角需求的基础上加入该阻尼信号，从而有效抑制塔筒的振动。
1.2 塔筒侧向振动控制
塔筒侧向振动的动态特性与塔筒前后振动类似。
塔筒顶部的侧向振动一般由传动链扭矩反作用引起，塔筒侧向结构阻尼本身很小，可通过在原有发电机给定转矩上添加附加转矩实现增大阻尼的效果。
同样可借助机舱振动加速度传感器，将测量到的塔筒侧向加速度积分后再作用增益即可得到附加转矩，并将附加转矩范围限定在发电机允许最大转矩的10%以内。
1.3 传动链扭转振动控制
在变桨距阶段，变速风电机组只有很小的阻尼，因为转矩不再随着转速的变化而变化，在非常低的阻尼下会导致齿轮箱有较大的转矩振动。
增加传动链的阻尼可以通过在原有转矩给定值的基础上增加一个很小的附加转矩波动。
这个转矩波动要与传动链的扭转速度相反，才能增加等效阻尼。
附加转矩可将发电机转速通过一个带通滤波器近似获得。
值得注意的是，风轮平面内一阶模态、塔筒侧向二阶模态和风轮转速的多倍频，特别是3P、6P，都可以激发传动链的扭振。
摘自：《变速变桨风力发电机组的桨距控制及载荷优化》，重庆大学，何玉林
2 塔筒
2.1 塔筒前后弯曲振动（1）2.1.1 机组信息
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2.2 塔筒前后弯曲振动（2）
2.2.1 机组信息
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2.3 塔筒前后弯曲振动（3）
2.3.1 机组信息
注：风机图片源自国外一起倒塔事故，与案例无关
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3 机舱
3.1 机舱相对塔筒扭转振动（1）
3.1.1 机组信息
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3.2 机舱相对塔筒扭转振动（2）
3.2.1 机组信息
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4 传动链
4.1 传动链扭转振动（1）
4.1.1 机组信息
（1）与叶片动态特性相关
思考：A型叶片一阶摆振（0.77Hz）与传动链扭振（1.25Hz）两种模态是否存在耦合？
（2）与风速相关
在低风速阶段，风轮转速随风速变化而变化以维持最佳叶尖速比λopt，而桨距角则恒定在0度，使风能转换效率最大化。
在该阶段，受三种阵风（半波、全波和IEC-2）及塔影效应、风剪切影响，叶轮转速不稳定，叶片固有模态易被激振。
（3）与传动链加阻控制相关
传动链加阻基本原理：在转矩设定值基础上附加传动链扭振频率的反相微幅波动，等价提高传动链阻尼；附加的转矩信号需通过测量发电机转速，并通过一个带通滤波器获得。
显然，该控制系统对安装A型叶片的传动链加阻未达到预期。
参考：1）《风力发电机组齿轮箱轴系扭振故障分析》，《风电技术》2017年第6期，肖泽；2）《变速变桨风力发电机组的运行控制策略研究》，重庆大学，谢双义
4.2 传动链扭转振动（2）4.2.1 机组信息
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4.2.3 振源分析
这也是一起传动链扭转共振案例，与转矩加阻控制精度直接相关。
整机厂家根据检测结果修改控制程序后，该风电场26台机组传动链扭振现象全部消除。
（1）叶片动态特性
思考：叶片摆振频率（1.32Hz）与传动链扭振频率（1.5Hz）接近是否影响系统稳定性？
（2）风电机组传动链自身的阻尼系数非常小，在低阻尼下容易产生较大转矩波动，必须在发电机转矩中添加适当的附加转矩来抑制传动链扭振，此时阻尼滤波器控制算法尤为重要。
（3）考虑工程应用场合，先辨别传动链扭振形式，再确定扭振频率，已满足基本需求。
深入分析扭矩波动根源有难度，缘于探究整机动态特性与关键控制算法需牵涉整机厂家多部门。
如同诊断滚动轴承故障时，振动分析师准确判断轴承的损伤程度并给出维护建议即可，进一步甄别轴承具体损伤部位（内圈、外圈、滚动体及保持架）工程意义相对小。
参考：1）《兆瓦级风力发电机组传动系统动态特性研究》，《振动与冲击》2015年第21期，罗勇水；2）《变速变桨风力发电机组的运行控制策略改进研究》，重庆大学，苏东旭。