基于载荷频谱的风电机组风轮气动不平衡解决方案

基于载荷频谱的风电机组风轮气动不平衡解决方案
发表时间：2018-10-18T14:50:15.430Z 来源：《电力设备》2018年第17期作者：石宇峰魏煜锋[导读] 摘要：随着风电机组的风轮直径不断增大，由于安装角度误差导致的风轮气动不平衡的概率也越来越高。

（明阳智慧能源集团股份公司广东中山 528437）摘要：随着风电机组的风轮直径不断增大，由于安装角度误差导致的风轮气动不平衡的概率也越来越高。

气动不平衡的危害非常大，除了影响发电量，产生额外噪音，导致风机振动加大外，还会造成机组各部件的疲劳载荷增大，导致主轴承松动，变桨轴承损坏，叶片断裂，甚至会导致机组倒塌，严重影响风机的寿命和运行安全。

本文从气动不平衡影响最大的塔顶扭矩载荷信号入手，通过分析其频谱幅值，判断其是否存在气动不平衡，然后通过试验的方法调整变桨角度，提供了对气动不平衡的最简单有效的解决方案。

关键词：风电机组；气动不平衡 Solution of the Wind Turbine Aerodynamic Unbalance Base On the Load Frequency Spectrum Shi Yufeng，Wei Yufeng （Ming Yang Smart Energy Group Co.，Ltd，Zhongshan China，528437） Abstract：With the wind turbine diameter increases，the probability of rotor aerodynamic unbalance because of the install angle will be higher，the influence of the rotor unbalance is very large for wind turbine，it may affect the AEP，generate extra noise，increase the vibration value，also it may cause the fatigue load of the main components increase，it leads that main bearing become flexible，pitch bearing failed，blade broken，even turbine collapsed，it can seriously affect the life and safety of the wind turbine. This paper analyses the aerodynamic unbalance of the wind turbine start with the tower top torque load signal，after analyzing the frequency spectrum，we can estimate whether exist unbalanced phenomenon.After that，we can change the pitch angle of different blades，it is the easiest solution for aerodynamic unbalance. Key words：wind turbine aerodynamic unbalance 0 引言
风轮作为吸收风能的部件，重要性如同飞机的机翼、鸟的翅膀，其气动性能的好坏直接影响到风机的整体性能。

随着风电机组的风轮直径和叶根直径不断增大，出现气动不平衡的概率也越来越高，某个风场曾经因为叶片有部分开裂导致气动不平衡，造成叶片断裂打到塔筒，最终塔筒倒塌。

更重要的是，目前风机厂家和风电场业主最为关注的仍然是功率曲线和发电量，并没有将重点完全转移到载荷方面，但是气动不平衡通常不会非常明显地体现在风机的功率曲线上，短期看，气动不平衡好像不会产生什么危害；另外，通过型式认证的机型，也不能确保其机型的所有机组不具有气动不平衡，因为每台机组的安装工艺和误差都不相同。

因此，很多机组都有可能从吊装并网开始，就带着气动不平衡的毛病持续在运行，慢慢侵蚀着机组的寿命。

其实，气动不平衡对风机的影响非常大，会造成转矩波动，影响发电量，同时，气动不平衡产生的频率可能与其他部件的频率耦合，导致机组发生共振，有些共振可能通过控制策略也很难规避，目前有很多机组就存在不明原因的振动，其实有很多就是由于气动不平衡导致的。

同时，气动不平衡还会造成机组各部件的疲劳载荷增大，例如叶片、变桨系统、偏航系统、轴承等，导致螺栓松动或断裂，造成叶片断裂，甚至机组倒塌，严重影响机组的寿命和安全，另外，气动不平衡可能还会导致叶片噪声增大。

1 气动不平衡的原因风轮不平衡分为质量不平衡和气动不平衡。

质量不平衡主要是由于三个叶片的重量或重心出现偏差，由于叶片在出厂时一般都经过配重，所以出现质量不平衡的概率相对较低，当然，不排除在现场修补叶片时导致的配重不一致。

气动不平衡主要是由于三个叶片的安装角偏差和工艺偏差。

以叶根内径为3m的叶片计算，如果叶片安装误差为2.6mm，就会导致三个桨叶角度偏差0.1度。

为什么说大部分机组都或多或少存在气动不平衡，主要体现在以下几个方面： 1）叶片出厂前，零度标尺安装错误或存在误差，见下图，因叶片内表面并非光滑和标准的内圆，安装时的人为视觉误差不可避免；
图1 零度标尺安装示意图 2）叶片在吊装时，安装角有错误或存在误差； 3）变桨系统在调试对零时，有人为判断的误差，见下图，两根刻度线本身可能就存在误差，对齐时，又有人为判断的误差；
图2 对零误差示意图
4）编码器齿轮盘存在空隙偏差，见下图，编码器齿轮盘和变桨齿圈之间存在空隙，会导致变桨编码器读数误差；并且，编码器长期运行后，误差会不断累计，导致读数偏差。

图3 编码器安装示意图
2 气动不平衡的表现
气动不平衡表现在风轮的1倍转频（以下简称1P）方面，即风轮每转动一次就会产生一次冲击或振动，可从机组振动或转速的频谱看出来，但不是很明显，最明显的是通过查看塔顶扭矩载荷的频谱。

下面就风轮平衡、双叶片不平衡、单叶片不平衡进行bladed仿真，仿真设置如下：
表1 bladed仿真不平衡设置
从下面几个图的仿真结果可看出，出现风轮平衡或不平衡时，三个叶片的载荷信号基本没有什么差异，但是，塔顶扭矩载荷的频谱存在明显区别。

图4 工况1-3的叶根摆振载荷
图5 工况1-3的塔顶扭矩频谱
3 解决方案
针对气动不平衡，我们并不知道是由于哪个叶片或哪两个叶片导致，也不知道导致不平衡的偏差角度是多大。

如果安装角度出现严重错误或误差较大，是可以通过肉眼检查的方法去识别和调整桨叶角度的，但是，大多数情况下，安装误差都不会太大，通过肉眼检查根本无法识别。

部分研发人员试图通过听声音的方法来判断是否出现了不平衡，以及哪个叶片出现了不平衡，即当机组运行时，站在塔筒下面听声音，如果听到明显的啸叫声，即判断为出现了气动不平衡，并判断出现啸叫声的叶片出现了不平衡。

该方法有明显的弊端，因人而异，每个人对啸叫声的识别和判断必然存在区别。

也有部分人员采用录像的方法，即当机组运行时，站在与风向垂直处，对机组进行摄像，然后在电脑上仔细观察识别三个叶片转动时的差异。

受距离和分辨率的影响，该方法同样也不能做出精确判断。

还有部分研发人员试图通过在三个叶片上安装应变片的方法，通过三个叶片的载荷值并结合风轮方位角去推算哪个或哪两个叶片不平衡，该方法存在明显的弊端，首先，气动不平衡通常不是三个叶片存在明显差异而是微弱差异导致的，由上节仿真可看出，通过载荷值偏差来判断的方法不可取，其次，受应变片安装工艺的差异影响，三个叶片的载荷值本身可能就存在一定偏差。

另外，部分风机厂家试图通过开发智能控制模型的方法来解决问题，其实也未能取得理想的效果，因为所有的控制都是基于一定的数据，如果数据来源不可靠，必然导致控制失真，并且如果安装角度本身就存在一定偏差，那么控制策略里的频繁变桨也是徒劳的。

综上所述，目前行业内对于气动不平衡的研究大部分都还只是停留在理论阶段，并且付诸实践的效果并不明显，基于上面提到的气动不平衡的表现，以及载荷值和控制策略的局限性，本文提出一种基于塔顶扭矩载荷频谱的解决方案，简单有效地解决气动不平衡问题。

首先，我们在塔顶安装扭矩应变片，然后对其频谱进行分析，见下图，可看出，1P信号非常明显，存在风轮不平衡现象。

图6 出现明显1P信号的频谱图
然后假定是其中一个叶片安装角偏差导致气动不平衡，因此，执行单桨叶小角度微调操作。

3.1 单桨叶小角度微调
在风速比较稳定的时间段，通过对单个桨叶独立小角度微调（只需在主控强制施加桨叶角度偏差即可，无需进入轮毂调整），见下表，并对每个工况的数据分析，判断塔顶扭矩载荷的1P信号是否有降低。

表2 单桨叶微调设置
通过上述单桨叶小角度微调，如果没有起到明显的效果，则进入下一步，单桨叶大角度粗调。

3.2 单桨叶大角度粗调
从上一步可看出，微调角度的效果不是很明显，需加大角度调整。

调节方法和结果见下表，从下表结果可看出，桨叶1减0.5度和桨叶3加0.5度时，都会使1P信号幅值降低，表明桨叶1和3都出现了不平衡。

表3 单桨叶粗调设置
频谱分析结果见下图5-10。

图7 桨叶1减0.5度
图8 桨叶3加0.5度
3.3 双桨叶联调
由上一步可看出，桨叶1和3都出现了不平衡，现试图对双桨叶同时调节，以进一步判断出现的不平衡角度值，调节方法和结果见下表，桨叶1减0.5度，同时，桨叶3加0.5度时，1P信号基本消失。

表4 双桨叶联调设置
频谱分析结果见下图11-16。

图9 桨叶1减0.5度，桨叶3加0.5度
图10 桨叶1加0.5度，桨叶3减0.5度
4 结论
风轮气动不平衡已经成为风电行业内普遍面临的问题，风轮不平衡带来的影响非常大，轻则造成影响发电量、降低收益的后果，重则造成机组倒塌、影响人身安全的致命后果。

解决该问题，不能只是停留在理论研究的层面，并且目前的检测设备尚不满足对叶片安装的微弱偏差进行识别。

本文采用最简单、低成本的方法，通过对塔顶扭矩的频谱辨识，并结合现场的多次微调桨叶角度实测验证，切实有效地解决了该问题，值得行业内推广使用，并可将该方法应用到每台机组的调试阶段，使每台机组在并网运行时就杜绝了气动不平衡的问题，将有效提高机组各部件的可靠性，减轻运维压力和成本，延长机组寿命，降低安全风险，为风机的持续发展保驾护航。