【摘要】風電機組振動超限類故障是一個非常常見的故障，因為涉及電氣、傳動、控制、結構、環境很多因素，使得該類故障分析及處理有一定難度。本文通過一個真實案例，詳細闡明機艙加速度超限故障分析過程，為該類故障提供解決方案。【關鍵字】振動控制槳距加阻1.引言風力發電機組振動超限類故障較為常見，不僅因為風電機組結構，細長的葉片及塔筒，沉重的機艙容易產生振動。還有多環節的傳動鏈及偏航系統；復雜的控制策略，開關過程、控制過程，加之一系列動態載荷，如：陣風、湍流、波浪（海上風機）、地震、葉輪轉動等；都有容易激發機組的強烈振動；另外測量回路中測量本體，線路虛接及干擾問題造成的測量信息錯誤引發故障也占了該類故障觸發相當大的比重。以上提及的部分都使得該故障頻次較高。相反目前風電機組普遍僅安裝了機艙水平方向（X前后、Y左右、Z上下）加速度傳感器，又無機組主要部件固有頻率仿真結果，一旦發生實際振動，很難找到振動部位，在無經驗可循的情況下便大大增加了處理難度。振動故障的處理及分析過程需要有一定的專業知識，涉及方面包括電氣、傳動、控制、結構、環境很多因素。本文主要通過描述一個真實振動案例分析和解決的過程，尋求一個該故障的普遍解決辦法，為解決風力發電機組振動故障提供參考和借鑒。2.測量回路引發故障2.1檢測回路基本原理為防止機組振動引發嚴重后果，一般風電機組會配備加速度傳感器計量機艙振動情況，有些機組廠商還會增加擺錘作為后備保護串入安全鏈中，通過調節擺錘的重心高度，達到相應的加速度限值要求。加速度傳感器主要通過對內部質量塊所受慣性力的測量，利用牛頓第二定律獲得加速度值，根據傳感器敏感元件的不同，常見的加速度傳感器包括電容式、電感式、應變式、壓阻式、壓電式等。大部分整機廠商應用的是一種電容式加速度傳感器，輸出信號是加速度正比電壓。也有整機廠商應用的是PCH，使用CAN通訊進行傳輸信號，可以測量X、Y、Z三個方向加速度值。圖1：加速度傳感器以某機型為例，這種傳感器（見圖1）可以測量X和Y兩個方向上的振動加速度，測量范圍為-0.5g～+0.5g（g重力加速度），相對應輸出的信號范圍為0～10V。將信號以電壓形式傳給KL3404。該傳感器屬于測量儀器，可通過內部滑動變阻器旋鈕校準最大及最小值。信號傳遞給KL3404后，還需要主控進行帶通濾波，濾波后經過計算得到有效值。如：圖2，利用兩個時間系數取得的低通濾波值做差，再取其平方和的平方根，其主要目的是補償衰減，平衡誤差。一般來講整機采用的加速度傳感器對于低頻段測量精度較高，抗混頻功能較差。圖2機艙加速度濾波過程邏輯框圖2.2檢測回路故障處理無論使用哪種加速度傳感器，都會不同程度的受到其測量本體可靠性、傳輸線路可靠性、接收信號模塊故障及干擾問題的影響從而引發故障。因測量本體、接收信號模塊以及線路虛接問題，經細致檢查或替換備件的方法可以找到故障點。另在新投入風電場可能出現設計算法過于敏感，特殊天氣導致機組誤報振動加速度故障。信號干擾問題，風力發電機組使用的振動模塊，更加注重低頻段測量精度，模塊本身就具備濾波及抗混頻功能。為防止機組誤報，主控程序中還會再次對有效值進行濾波，所以一般情況下不會發生信號干擾引發故障。如果排除真實振動引發故障及測量本體及線路問題，可針對干擾問題，對信號通道屏蔽層進行接地（必須保證接地點可靠）；遠離強電場或增加屏蔽管；找到干擾源。3.實際振動引發故障機組實際振動觸發限值并不多見，即便發電機及齒輪箱軸承、主軸軸承發生異常，一般不會引發機艙加速度超過限值。除非嚴重失效，但也因此故障點已十分明顯，本文不做討論。實際振動故障特點：（1）發生在相對高風速段或啟停過程；（2）能夠感受到機組運行聲音異常及高能振動；（3）從加速度數據（毫秒級）看幅值存在漸變過程，不存在跳變。導致實際振動的原因有：（1）塔筒基礎或結構剛性未達到設計要求，導致固有頻率下降，與葉輪轉頻過于接近引發共振；（3）機械傳動鏈的某一異常振動頻率與系統固有頻率重合；（3）控制系統設計缺陷，導致機組在啟停過程中沒有很好的避開大部件固有頻率。

（4）控制系統異常；（5）葉輪轉矩波動導致共振。下面通過1個真實案例，詳細說明實際振動分析過程。4.案例解析4.1基本情況概述某風場裝機33臺1.5MW機組于2009年并網發電，風電場位于壩上，周圍有林地。機組采用永磁同步發電機，風輪直接驅動，采用全功率被動整流并網。從數據庫故障日志查詢，該風場7#機組于2016年5月開始頻繁報出“機艙加速度超限故障”，（該故障解釋為，在待機、啟動、并網、維護模式下，偏航系統沒有偏航的情況下，機艙加速度有效值濾波后的值≥0.135g）。截至2018年2月該機組報“機艙加速度超限故障”頻次達到642次，查看故障數據見圖3（采集間隔20ms，故障前90s，故障后30s）在故障0時刻，機艙加速度有效值濾波后為0.146g，達到故障觸發值。觀察故障特點，故障時均處于額定風速（12m/s）區，故障時刻感受晃動明顯。圖3故障B文件機艙加速度有效值4.2故障分析通過觀察振動數據及實地勘查，明確該機組為實際振動，排除檢測回路問題導致誤報的可能。并對該臺機組相關程序及參數和其他32臺機組進行核對，完全一致，排除因控制策略問題導致機組振動。對機組機械部分進行檢查，包括槳距平衡度、基礎水平度、塔筒螺栓連接、輪轂內部螺栓情況、主軸承情況、葉輪鎖定銷、葉輪鎖定閘、塔筒連接螺栓、偏航剎車盤、偏航軸承、偏航余壓，葉輪空轉、機艙偏航、均未發現異常情況。其中槳距平衡度檢查包括：機械0度與電氣0度校核；機械0度與合模線校核；錄制機組空轉及運行中葉片掃風聲音，捕捉音頻異常。至此故障排查漸入僵局。通過傅里葉變換，觀察機艙加速度振動頻譜，振幅最大頻率為0.45赫茲，該頻率為塔筒（前后、左右）一階模態固有頻率（來自機組廠家主要部件固有頻率仿真結果）。可確定某一個振源與塔筒發生了共振。圖4：故障前后90s機艙加速度振動頻譜此時需要確定的就是振源來自何處，通過故障文件查看見圖5，該圖采集了母線電流（boost電流）、母線電流給定值（boost電流給定值）、二極管整流后電壓（不可控直流電壓），y軸機艙加速度值。圖5：各參數與機艙加速度數據對比可見在故障觸發前有一段明顯的震蕩過程，同時加速度幅值不斷擴大，最后達到限值觸發故障，經過計算該震蕩頻率為0.45HZ左右，與捕捉到的最大振幅頻率相同。可基本確定導致塔筒共振原因是葉輪轉矩波動引發。這里簡述一下該機組被動整流過程，參考圖6、圖7。發電機輸出經不可控整流后，經過Boost升壓電路注入直流母線電容，此處的控制目標是將電感電流控制為給定直流量（為了從發電機最大可能的拉取功率）。該給定量由主控根據GH策略計算得到的發電機功率設定（參考量為發電機轉速），除以變流器整流電壓，即得到Boost電流設定，并通過通訊電纜將設定指令傳遞給變流器，升壓電路電流模型如下：式中為電感電流，為直流母線電容電壓，為不可控整流后電壓，為Boost電路開關函數，為升壓電路電感值。之后的逆變過程核心為穩定母線電壓，保證電能質量，不參與主動控制。圖6：1.5MW被動整流電控圖圖7：1.5MW被動整流電器圖當Boost電流發生波動后，母線電壓，輸出有功功率，發電機電轉矩都將發生波動，當這個波動與機組某一部件固有頻率重合時就將引發共振。由圖5可以看到Boost電流給定值與二極管整流后電壓在同時波動。根據前面的被動整流介紹Boost電流給定值，主要參考量是發電機轉速，同時二極管整流后電壓根據感應電動勢公式E=4.44fNφ，唯一影響電壓波動的也是發電機轉速。然而影響發電機轉速的變量，一是湍流，二是槳距調節（被動整流不進行轉矩控制）。通過調取故障文件發現，查看槳距變化情況，發現機組在進入額定風速段后，槳距角開始調節，槳葉角度每10S進行了4.5周期調節如圖8所示。槳距角的變化的頻率恰好為前文提到的共振頻率。圖8：槳距角設定值與實際值對比4.3故障處理通過以上分析，一是確定導致塔筒共振原因是葉輪轉矩波動；二是葉輪轉矩波動是由槳距角變化造成的。疑問在于為什么該機組槳距變化不同于其他機組（其他機組沒有因槳距角變化引發振動），通過TwinCATScopeView軟件檢測其他機組槳距變化發現，在額定風速至切出風速之間，每10秒變化周期在7個以上，完全可以避開共振頻段。根據前文提到的，該機組并不是每一次到達額定風速以上都會報該故障，只有在特定時候將槳距角調節速率變慢，目的是滯后于風速變化，減少疲勞載荷，這是啟動加阻的過程。在變槳的控制策略中，PID的輸入量引入機艙加速度信號（前后）目的是當風速介于額定風速與切出風速之間時，通過對塔架頂部fore-aft方向一階固有頻率加速度信號檢測，在發電機轉速---葉片槳距角控制環路中增加一項與塔架頂部fore-aft方向一階固有頻率速度成正比的控制量，來達到增加塔架fore-aft方向運動阻尼，來實現減小塔架fore-aft方向疲勞載荷的效果。如圖9其中C(s)-----發電機轉速環路控制器；Gact(s)---代表變槳執行機構動態特性；WT-----風機動態特性；Gtow(s)----代表塔架反饋環路；WSET-----發電機轉速給定值；Wg----發電機實際轉速；---塔架頂部fore-aft速度。圖9：fore-aft方向塔架加阻工作原理機組進入額定風速以后，通過槳距角調節控制轉速，然而槳距角變化必定帶來葉輪升力和阻力（大部分為前后推力）變化，如果可以將這個量引入發電機轉速---葉片槳距角控制環路中，為振動提供阻尼適應風速變化，將大大降低塔架疲勞載荷。由圖9中PID控制可以看出加阻后變槳機構動態特性是受到加速度（前后）影響的。當湍流越大，為了抑制振動直接表現為響應速度越滯后。通過對比該機組附近的其他機組，槳距角變化速率并沒有變化，說明實際情況中并沒有遇到較強湍流。那么機組啟動加阻的原因是什么呢，將排查重點放到機組fore-aft方向塔架加阻閉環控制中。最后通過排查發現加速度模塊(如圖1），X（前后）與Y（左右）信號反接。這就導致了發電機轉速---葉片槳距角控制環路中引入的其實塔架左右振動的加速度，實際控制就變成了非閉環控制，控制槳距角變化的量沒有得到真實反饋，將持續變化，直到槳距角變化頻率與塔筒一階固有頻率發生共振導致機組停機。5.總結機艙加速度超限故障可以把握以下幾個基本方法，讓我們有的放矢。判斷是否為真實振動，查看故障時機組運行狀態。例如：風機處于停機或維護模式下報出很有可能和測量回路有關；觀察振動加速度時域圖，查看是否有振動放大過程，