基于帶阻濾波器的風(fēng)電機(jī)組塔架振動控制研究與應(yīng)用

姚森，楊柳青

(1.東方電氣風(fēng)電有限公司，四川 德陽，618000； 2.東方電氣自動控制工程有限公司，四川 德陽，618000)

0 引言

塔架振動問題一直是風(fēng)電機(jī)組頻發(fā)的振動故障之一。塔架振動過大嚴(yán)重危害機(jī)組的壽命和運(yùn)行安全，進(jìn)而影響機(jī)組的有效發(fā)電量和可利用率。所以，減少風(fēng)機(jī)塔架振動具有重要意義。塔架頂部的橫向振動一般由傳動鏈扭矩的反作用或者外界激勵引起[1]，屬于風(fēng)輪與塔架耦合振動的一類振動問題。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速引起塔架振動主要有2個頻率：（1）風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率，即1 P，此激勵主要是由于葉片不平衡導(dǎo)致；（2）風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)頻率乘以葉片數(shù)目倍數(shù)，如3 P，6 P等，主要是氣動力不平衡所致[2]。風(fēng)輪與塔架耦合振動分析可以采用坎貝爾圖進(jìn)行輔助分析，通過坎貝爾圖觀察各模態(tài)頻率在風(fēng)輪變速運(yùn)行范圍內(nèi)，是否和1 P、3 P、6 P等包絡(luò)線相交來進(jìn)行判斷。本文從分析帶阻濾波器頻率特性入手，并結(jié)合風(fēng)機(jī)共振坎貝爾圖，提出了在風(fēng)機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速控制和變槳-轉(zhuǎn)速控制中，合理地使用帶阻濾波器對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速頻譜特定頻率點處進(jìn)行陷波處理，可以實現(xiàn)抑制風(fēng)機(jī)塔架振動的方法。

1 帶阻濾波器的頻率特性

帶阻濾波器是能通過大多數(shù)頻率分量，但某些范圍的頻率分量被衰減到極低水平的濾波器。其中陷波濾波器（notch filter）是一種特殊的帶阻濾波器，它的阻帶范圍極小，有著很高的Q值（quality factor）。

一個通用的二階濾波器連續(xù)傳遞函數(shù)形式如式（1）所示：

當(dāng) ω1＝ω2＝ω， 且 ζ1＜ζ2時， 為二階帶阻濾波器，可以濾除特定頻率ω。阻尼系數(shù)ζ表明了這個帶阻濾波器的寬度或強(qiáng)度。它應(yīng)該調(diào)整直至在特定頻率上出現(xiàn)明顯的濾波效果為止，并且不應(yīng)在較低頻率上對系統(tǒng)產(chǎn)生過大的影響[3]。

下面對該二階濾波器作頻率特性分析，取ω1=ω2=2.915 rad/s， ζ1=0.01，ζ2=0.1.該陷波濾波器對數(shù)頻率特性（伯德圖）如圖1所示。

圖1 陷波濾波器伯德圖

由經(jīng)典自動控制理論知識可知，二階振蕩環(huán)節(jié)在轉(zhuǎn)折頻率ωT處的對數(shù)幅頻特性的幅值為[4]：

因此，傳遞函數(shù)具有式（1）形式的陷波濾波器在轉(zhuǎn)折頻率ωT處的對數(shù)幅頻特性的幅值為：

由式（3）可知，式（1）所示陷波濾波器的深度由阻尼系數(shù) ζ1與 ζ2的比值決定， 將本例 ζ1＝0.01， ζ2＝0.1 的值代入式（3）得， L（ω＝ωT=2.91）＝-20 dB。對比圖1所示ω＝2.915 rad/s處對數(shù)幅頻特性，二者幅值相等，因而驗證了陷波濾波器的幅值濾波性能。實際使用過程中，可通過對阻尼比ζ1與ζ2進(jìn)行調(diào)節(jié)，來決定期望頻率處的幅值陷波深度。

2 風(fēng)電機(jī)組坎貝爾圖分析

Bladed是一個用于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組性能和載荷計算的集成化的軟件包，是Garrad Hassan公司編制的機(jī)組性能和載荷計算、評估的軟件，可以用于機(jī)組的測試、認(rèn)證等環(huán)節(jié)。其所采用的模型和理論方法已得到多家公司的機(jī)組設(shè)計數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)的比對驗證，是風(fēng)電機(jī)組設(shè)計和載荷驗證的可靠工具。

在使用Bladed軟件對機(jī)組模型完成仿真搭建后，通過對風(fēng)力機(jī)的模態(tài)分析參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，可得風(fēng)機(jī)運(yùn)行風(fēng)況下各耦合模態(tài)頻率。某風(fēng)力機(jī)穩(wěn)態(tài)風(fēng)速10.5 m/s風(fēng)況下各個耦合模態(tài)的自然頻率值和阻尼系數(shù)如表1所示。其中，自然頻率值的計算以P為單位，此處將風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)一周的頻率定義為1 P。

表1 風(fēng)力機(jī)耦合頻率示例（穩(wěn)定風(fēng)速10.5 m/s）

續(xù)表1

在Bladed軟件中可運(yùn)行計算生成風(fēng)電機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速坎貝爾圖，用以表征風(fēng)機(jī)各個耦合模態(tài)頻率。某1.5 MW 77型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)輪坎貝爾圖如圖2所示。

圖2 某1.5 MW 77型風(fēng)電機(jī)組坎貝爾圖

如圖2所示，機(jī)組塔架一階左右模態(tài)，頻率為0.460 9 Hz，在風(fēng)輪轉(zhuǎn)速13.8 r/min時，與2 P斜線有交點。塔架二階左右模態(tài)在17 r/min時與15 P模態(tài)有交點。傳動鏈頻率為1.817 Hz，在12 r/min時與9 P頻率有交點，風(fēng)輪面內(nèi)三階模態(tài)，頻率為3.757 Hz，在15 r/min時與15 P有交點。

為防止風(fēng)輪與塔架耦合所產(chǎn)生的振動問題的影響，在機(jī)組部件設(shè)計過程中就要避開3 P，6 P，9 P，12 P等3 P的整數(shù)倍的振動頻率。如果在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行全風(fēng)速段范圍內(nèi)，出現(xiàn)了與3 P整數(shù)倍頻率相交的耦合頻率，就要看其相應(yīng)的阻尼比，阻尼比越小就越容易引起共振[5]。這是設(shè)計中需要考慮的問題，如果不可避免，就要求控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，使機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速避開共振區(qū)。

3 帶阻濾波器在風(fēng)機(jī)塔架振動控制中的應(yīng)用

變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組扭矩-轉(zhuǎn)速控制器和變槳-轉(zhuǎn)速控制器都使用發(fā)電機(jī)測量轉(zhuǎn)速作為主要反饋輸入，通過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)風(fēng)能的吸收與電能的輸出控制。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)入控制器前使之經(jīng)過濾波器濾波，不僅能夠增強(qiáng)控制系統(tǒng)在特定頻率域的功能，并且能夠防止轉(zhuǎn)矩和槳距角在不期望的頻率處動作，如葉片穿越頻率。如圖3所示扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)反饋通道加入濾波器結(jié)構(gòu)圖。

圖3 扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)反饋通道加入濾波器結(jié)構(gòu)圖

在風(fēng)機(jī)塔架橫向振動問題處理中，因為塔架橫向振動主要與主軸轉(zhuǎn)速及傳動鏈轉(zhuǎn)矩有關(guān)，如在扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)和變槳-轉(zhuǎn)速控制環(huán)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速信號加以主要影響塔架橫向振動的塔架一階模態(tài)頻率，3 P及6 P頻率處陷波濾波器，可有效抑制塔架的橫向振動問題。下面以某風(fēng)場實際運(yùn)行風(fēng)機(jī)振動故障解決情況為例進(jìn)一步分析。

某在運(yùn)行風(fēng)場，1.5 MW 77型風(fēng)機(jī)經(jīng)常在10～12 m/s風(fēng)速運(yùn)行區(qū)間報出塔架橫向振動超限故障，通過對故障數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)速及槳距角頻譜分析來看，塔架一階模態(tài)頻率峰值很高，如圖4、圖5所示。

圖4 某77型風(fēng)機(jī)塔架橫向振動故障時轉(zhuǎn)速頻譜圖

圖5 某77型風(fēng)機(jī)塔架橫向振動故障時槳距角頻譜圖

對扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速反饋回路串聯(lián)加入塔架一階模態(tài)頻率陷波器，3 P頻率陷波器及6 P頻率陷波器。3個帶阻濾波器參數(shù)信息如表2所示。

表2 加入帶阻濾波器參數(shù)信息

在加入3個帶阻濾波器后，扭矩-轉(zhuǎn)速開環(huán)伯德圖如圖6所示，在塔架一階模態(tài)，3 P及6 P頻率處，對數(shù)頻率特性幅值均有了明顯的陷波作用，同時保證了系統(tǒng)穩(wěn)定域量仍然滿足設(shè)計要求。

圖6 加入帶阻濾波器后扭矩-轉(zhuǎn)速伯德圖

在相同運(yùn)行風(fēng)速工況下，控制算法中扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)加入帶阻濾波器后，對風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行轉(zhuǎn)速及槳距角頻譜進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)塔架一階振動模態(tài)頻率處幅值有了明顯衰減抑制效果，且在風(fēng)機(jī)實際運(yùn)行時發(fā)現(xiàn)大幅度減小了塔筒的橫向振動加速度值，如圖7、圖8所示。

圖7 扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)加入帶阻濾波器后運(yùn)行轉(zhuǎn)速頻譜圖

圖8 扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)加入帶阻濾波器后運(yùn)行槳距角頻譜圖

4 結(jié)語

本文主要研究探討了通過在風(fēng)機(jī)控制算法轉(zhuǎn)速反饋控制中串聯(lián)使用帶阻濾波器，可以有效解決風(fēng)力發(fā)電機(jī)組經(jīng)常報出的一類塔架振動問題的方法。先是從通用型帶阻濾波器伯德圖入手，系統(tǒng)分析了陷波濾波器的頻率特性，驗證了通過調(diào)節(jié)濾波器中阻尼比系數(shù)的值來實現(xiàn)對特定頻率處幅值陷波深度的控制。然后結(jié)合Bladed軟件生成風(fēng)力機(jī)的坎布爾圖分析介紹了風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)頻率及其倍頻與機(jī)組固有頻率相互耦合的影響。最后以某風(fēng)場在運(yùn)行1.5 MW 77型風(fēng)電機(jī)組塔架振動故障處理情況為例，通過對比算法扭矩-轉(zhuǎn)速控制環(huán)反饋通道中加入塔架一階模態(tài)頻率，3 P及6 P陷波濾波器前后，對風(fēng)機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速及槳距角頻譜進(jìn)行分析，詳細(xì)闡述了串聯(lián)帶阻濾波器后對塔架一階模態(tài)頻率處的陷波作用，并通過風(fēng)場實際運(yùn)行情況來看，取得了較好的振動抑制效果，對于風(fēng)機(jī)塔架振動問題處理具有實際參考意義。