風(fēng)力機(jī)啟停機(jī)過程中的振動特征分析

趙艷 潘嘉寧 王振宇 林葵庚 蔣建群

摘? ?要：風(fēng)力機(jī)運(yùn)行中由于受到環(huán)境荷載和葉輪轉(zhuǎn)動的激勵作用，塔架產(chǎn)生振動，影響風(fēng)力機(jī)壽命.為了分析風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中的振動規(guī)律和動態(tài)特性，對1.5 MW風(fēng)力機(jī)塔頂?shù)恼駝舆M(jìn)行了長期監(jiān)測，并采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的隨機(jī)子空間法識別了結(jié)構(gòu)一階自振頻率和阻尼比.對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)力機(jī)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近運(yùn)行的時(shí)段較多，當(dāng)風(fēng)力機(jī)啟動經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，有明顯的共振現(xiàn)象，而風(fēng)力機(jī)停機(jī)經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，共振現(xiàn)象則不明顯.模態(tài)識別的結(jié)果表明，一階自振頻率隨運(yùn)行工況不同而微幅變化，風(fēng)力機(jī)啟動經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)的阻尼比較小，風(fēng)力機(jī)停機(jī)經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)的阻尼比相對較大.此外，基于Sommerfeld效應(yīng)對風(fēng)力機(jī)啟停機(jī)過程中的不同振動現(xiàn)象進(jìn)行了解釋.本文成果對于掌握同類型風(fēng)力機(jī)的振動特性和動力參數(shù)優(yōu)化具有借鑒意義.

關(guān)鍵詞：風(fēng)力機(jī);啟停機(jī)過程;振動監(jiān)測;共振;Sommerfeld效應(yīng)

中圖分類號：TK83;TV314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：Wind turbines vibrate under the excitation of environmental loads and rotor movement in normal operating conditions， and vibrations of the tower affect the service life of such system. In order to analyze the vibration and dynamic characteristics of the wind turbine during startup and shutdown process， vibration of a 1.5 MW turbine tower was monitored for a long term. First-order natural frequencies and damping ratios of the wind turbine were identified utilizing a data-driven stochastic subspace identification method. Monitoring data revealed that the wind turbine usually operated near the rotation speed of grid connection. In addition， obvious resonance at the turbine startup was noted as it surpassed the rotation speed of grid connection， but was not apparent at the turbine shutdown. Modal identification results revealed that the first-order natural frequencies varied slightly under different operating conditions， while the damping ratios were found to be smaller when the wind turbine started up， and its rotation speed surpassed that of grid connection， which were found to be greater at turbine shutdown. In addition， the characteristics of different vibration phenomena in the turbine during startup and shutdown processes were explained with the Sommerfeld effect. Our findings contribute to the field of vibration analysis and allow for more efficient optimization of dynamic parameters in wind turbines of similar design.

Key words：wind turbine;startup and shutdown process;vibration monitoring;resonance;Sommerfeld effect

近年來，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，風(fēng)力機(jī)的額定功率、機(jī)艙重量和塔架高度不斷增大[1].當(dāng)風(fēng)力機(jī)塔架的自振頻率與環(huán)境荷載或葉輪旋轉(zhuǎn)的諧波頻率相重合時(shí)，會產(chǎn)生共振，導(dǎo)致振動幅值增大，影響風(fēng)力機(jī)的正常運(yùn)行，并產(chǎn)生較大的疲勞損傷.為避免出現(xiàn)共振，通常設(shè)計(jì)塔架的基頻避開環(huán)境荷載頻率及葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率（1f）、過槳頻率（3f）[2].

由于振幅與阻尼比成反比，正確地估計(jì)風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的阻尼比對于掌握風(fēng)力機(jī)的振動特性非常重要[3].陸上風(fēng)力機(jī)的阻尼比可近似看成是結(jié)構(gòu)阻尼和氣動阻尼的線性疊加[4].結(jié)構(gòu)阻尼取決于材料類型和結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造，鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比一般為0.5%到1.5%[5].氣動阻尼是風(fēng)力機(jī)運(yùn)行過程中，在空氣流動和葉輪振蕩的相互作用中產(chǎn)生的，它受風(fēng)速、葉片轉(zhuǎn)速、幾何條件和來流參數(shù)等影響，對于不同的風(fēng)力機(jī)類型和運(yùn)行狀態(tài)會有所不同，目前對氣動阻尼的取值還缺乏深入的認(rèn)識[6].

開展實(shí)測資料分析是計(jì)算風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)自振頻率和阻尼比的重要研究手段.Shirzadeh等[5]采用運(yùn)行模態(tài)分析法識別了海上風(fēng)力機(jī)在停機(jī)狀態(tài)下的一階自振頻率和阻尼比，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較.Damgaard等[7]評價(jià)了不同土壤條件下海上單樁風(fēng)力機(jī)超速停機(jī)狀態(tài)下的一階自振頻率和阻尼比.Versteijlen等[8]對位于Burbo Banks風(fēng)場的海上風(fēng)力機(jī)進(jìn)行了12次“超速停機(jī)”試驗(yàn)，研究了地基阻尼對振動的影響.Hackell等[9]基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的隨機(jī)子空間法識別了5 MW海上風(fēng)力機(jī)的自振頻率、阻尼比和振型，對結(jié)構(gòu)在不同運(yùn)行狀態(tài)下的動態(tài)特性進(jìn)行了評價(jià).上述研究多是基于實(shí)測資料對結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)的總體規(guī)律進(jìn)行分析，并驗(yàn)證和改進(jìn)數(shù)值模擬方法，沒有深入分析風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中的共振機(jī)制和振動響應(yīng)特點(diǎn).

本文對1.5 MW風(fēng)力機(jī)塔頂?shù)恼駝禹憫?yīng)進(jìn)行了長期監(jiān)測，采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的隨機(jī)子空間方法，計(jì)算了風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的一階自振頻率和阻尼比.根據(jù)風(fēng)力機(jī)啟停機(jī)過程中的振動幅值及阻尼比變化，詳細(xì)分析和揭示了共振特點(diǎn)，并采用Sommerfeld效應(yīng)對這種共振機(jī)制進(jìn)行了合理的解釋.

1? ?運(yùn)行模態(tài)分析方法

大型結(jié)構(gòu)體系在環(huán)境激勵下的模態(tài)參數(shù)識別，是一個(gè)比較熱門的研究課題[10-13].許多分析方法應(yīng)運(yùn)而生，時(shí)域方法有：隨機(jī)減量法[14]、自然激勵技術(shù)（Natural Excitation Technique，NExT）[15]和隨機(jī)子空間法（Stochastic subspace identification，SSI）[16];頻域方法有：峰值拾取（PeakPicking，PP）[17]和頻域分解法（Frequency Domain Decomposition，F(xiàn)DD）[18].SSI方法由于識別精度高，無需像傳統(tǒng)時(shí)域方法那樣需要前處理得到自由衰減曲線，因此在土木工程界得到越來越多的應(yīng)用.它主要包括基于協(xié)方差驅(qū)動的SSI方法和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的SSI方法兩種.后者理論推導(dǎo)清晰，計(jì)算量相對較小，因此在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛.本文采用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的SSI方法，從環(huán)境激勵下的振動響應(yīng)中提取模態(tài)參數(shù).

風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的環(huán)境激勵（輸入激勵）是難以測量的隨機(jī)激勵，在對風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測時(shí)，采集到的數(shù)據(jù)都是在離散的時(shí)間點(diǎn)上的，且必然存在著噪聲干擾，因此采用線性的離散狀態(tài)方程模型：

式中：xk為第kΔt時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)向量，xk = x（kΔt）（其中Δt為采樣時(shí)間間隔）;yk為輸出向量;A為空間矩陣;C為輸出矩陣;wk、vk分別為過程噪聲、測量噪聲，這兩種噪聲均為不可測量的噪聲.

假設(shè)wk和vk為零均值的白噪聲且互不相關(guān)，其協(xié)方差矩陣為：

式中：E表示數(shù)學(xué)期望;wp、vp均為協(xié)方差矩陣;Q、R、S均為噪聲序列;δpq為Kroneckerdelta函數(shù);p、q為任意的兩個(gè)時(shí)間點(diǎn).

基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的SSI方法的具體運(yùn)算流程如圖1所示.首先，將風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)（輸出數(shù)據(jù)）組成Hankel矩陣，對Hankel矩陣進(jìn)行正交三角分解（Quadrature Rectangle Decomposition，QRD），得到輸出響應(yīng)向輸入激勵的投影矩陣，然后對投影矩陣進(jìn)行奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD），得到卡爾曼濾波狀態(tài)序列，進(jìn)而得到風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)向量和輸出向量，應(yīng)用最小二乘原理估計(jì)出結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)矩陣，得到風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)矩陣及模態(tài)參數(shù).

圖1中，Y0.2i-1的第1個(gè)下標(biāo)表示Hankel矩陣左上角元素的時(shí)間序數(shù)，第2個(gè)下標(biāo)表示左下角元素的時(shí)間序數(shù);yi為時(shí)刻i測點(diǎn)的輸出向量;j為離散的采集點(diǎn)數(shù)，一般假定j→+∞，但是在實(shí)際測量中j不可能是無限大的，所以采集時(shí)間應(yīng)盡量長一些;Yp、Yf分別表示“過去”、“將來”的輸出;Qi為投影矩陣;U、V為正交矩陣;S為奇異值組成的對角矩陣;？祝i、Xi分別為可觀矩陣、卡爾曼濾波狀態(tài)序列.

2? ?工程監(jiān)測概況

本文監(jiān)測的1.5 MW風(fēng)力機(jī)位于某沿海風(fēng)電場.風(fēng)力機(jī)的切入和切出風(fēng)速分別為3 m/s和22 m/s（10 min平均風(fēng)速），額定風(fēng)速為11 m/s.當(dāng)10 min平均風(fēng)速超過22 m/s時(shí)，葉輪將停止工作，以避免風(fēng)荷載過大引起的潛在的損壞.風(fēng)力機(jī)葉輪的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為9 r/min，額定轉(zhuǎn)速為17.3 r/min，轉(zhuǎn)速范圍為0～17.3 r/min±10%.在正常運(yùn)行狀態(tài)下，機(jī)艙繞塔架軸線隨著風(fēng)向自動旋轉(zhuǎn)，以對準(zhǔn)風(fēng)向.

風(fēng)電場的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）遠(yuǎn)程連接風(fēng)力機(jī)與主控機(jī)房，記錄了監(jiān)測期間的風(fēng)速、風(fēng)向、葉輪轉(zhuǎn)速及葉輪槳距角的變化，采樣頻率為1/7 Hz.在塔筒高66 m處、東偏南80°方位上安裝雙軸速度計(jì)采集風(fēng)力機(jī)的振動響應(yīng)，采樣頻率為16 Hz，如圖2所示.

2.1? ?運(yùn)行狀態(tài)分析

圖3為監(jiān)測期間風(fēng)速的出現(xiàn)概率，平均風(fēng)速為5.46 m/s，風(fēng)速的變化范圍為0～23.52 m/s.圖4為風(fēng)速與風(fēng)向之間的關(guān)系，當(dāng)風(fēng)速較小時(shí)，在各個(gè)方向上出現(xiàn)的頻次差別較小，較大的風(fēng)速主要出現(xiàn)在方位角-10°～20°和200°～240°附近.

圖5為監(jiān)測期間不同葉輪轉(zhuǎn)速的出現(xiàn)概率.在9.5～10.5 r/min附近的出現(xiàn)概率很高，約為30.42%，額定轉(zhuǎn)速17.3 r/min的概率為22.23%.

2.2? ?允許的頻帶范圍

風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)通過塔架時(shí)，會引起共振現(xiàn)象，其激勵頻率主要為葉輪的旋轉(zhuǎn)頻率f和過槳頻率.對于一個(gè)有3個(gè)葉片的風(fēng)力機(jī)，過槳頻率為3f及其倍數(shù)：

式中：f為葉輪轉(zhuǎn)速對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頻率.如果葉片的過槳頻率f3n接近塔架基頻時(shí)，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的振幅將顯著增大，產(chǎn)生共振[4].DNV規(guī)范規(guī)定，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，風(fēng)力機(jī)基頻應(yīng)該在1f、3f頻率帶的基礎(chǔ)上，預(yù)留出±10%的安全度，以避免發(fā)生共振[2]：

式中：f3n為轉(zhuǎn)子正常工作時(shí)對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)頻率1f和過槳頻率3f;f1，n為結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率.本文風(fēng)力機(jī)的工作轉(zhuǎn)速范圍為9 r/min（并網(wǎng)轉(zhuǎn)速）～17.3 r/min（額定轉(zhuǎn)速），因此，葉輪轉(zhuǎn)動通過塔架產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率1f為0.15～0.288 Hz，過槳頻率3f為0.45～0.865 Hz.而預(yù)留10%安全度的1f、3f頻率帶分別為0.135～0.316 8 Hz、0.405～0.951 5 Hz，如圖6所示.

3? ?啟停機(jī)過程中的振動特征

基于SSI算法，識別出監(jiān)測的風(fēng)力機(jī)的基頻為0.425 Hz，雖然避開了3f頻率帶，但沒有預(yù)留10%的安全度，與并網(wǎng)轉(zhuǎn)速（9 r/min）工況下的過槳頻率3f很接近.圖7為并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近，風(fēng)力機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速和風(fēng)速之間的關(guān)系，可見在2～5 m/s風(fēng)速區(qū)間上，隨著風(fēng)速的增大，葉輪轉(zhuǎn)速并沒有隨之增大，而是近乎被“抑制”在10 r/min附近.該風(fēng)電場風(fēng)速在2～5 m/s區(qū)間的比例很高，達(dá)到36.16%，風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中都不可避免地要通過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，因此，非常有必要掌握此時(shí)風(fēng)力機(jī)的振動特性.

3.1? ?啟動工況

圖8為風(fēng)力機(jī)啟動過程中的運(yùn)行狀態(tài)和振動速度時(shí)程圖.圖中1區(qū)域?qū)?yīng)的是停機(jī)狀態(tài)，機(jī)艙位置處風(fēng)速v低于切入風(fēng)速（3 m/s），葉輪轉(zhuǎn)速Ω低于并網(wǎng)轉(zhuǎn)速（9 r/min），此時(shí)風(fēng)力機(jī)只是空轉(zhuǎn)運(yùn)行.2區(qū)域?yàn)椴⒕W(wǎng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，風(fēng)速v在切入風(fēng)速（3 m/s）附近，此時(shí)若沒有更大的風(fēng)能驅(qū)動葉輪加速轉(zhuǎn)動，葉輪轉(zhuǎn)速Ω長時(shí)間處于9～10 r/min.3區(qū)域中，葉輪轉(zhuǎn)速Ω隨風(fēng)速v增大而增大.可以觀察到，2區(qū)域（并網(wǎng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)）的風(fēng)速v和轉(zhuǎn)速Ω雖然都小于3區(qū)域（正常運(yùn)行狀態(tài)），但2區(qū)域的振動速度V（最大值為0.175 m/s）卻大于3區(qū)域（最大值為0.1 m/s）.這是因?yàn)椋?區(qū)域在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速（9 r/min）附近，對應(yīng)的葉輪過槳頻率3f為0.45 Hz，風(fēng)力機(jī)塔架的一階自振頻率為0.425 Hz，兩者很接近，容易發(fā)生共振.在3區(qū)域，平均風(fēng)速大于6 m/s，葉輪轉(zhuǎn)速大于10 r/min，此時(shí)的過槳頻率3f大于塔架自振頻率，不會發(fā)生共振.

從圖8（c）中可以看到，葉輪轉(zhuǎn)速小于2 r/min時(shí)，風(fēng)力機(jī)為空轉(zhuǎn)運(yùn)行，此時(shí)對應(yīng)的振動速度很小;風(fēng)力機(jī)啟動過程中，轉(zhuǎn)速從2 r/min快速增大8 r/min，達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近，對應(yīng)于1區(qū)域到2區(qū)域的過渡過程;在8 r/min增大到10 r/min過程中，振動速度快速增大;在轉(zhuǎn)速大于10 r/min后，振動速度有所降低.

3.2? ?停機(jī)工況

圖9為風(fēng)力機(jī)停機(jī)過程中的運(yùn)行狀態(tài)和振動速度時(shí)程圖.圖中4區(qū)域?yàn)檎＿\(yùn)行狀態(tài)，葉輪轉(zhuǎn)速Ω隨風(fēng)速v減小而減小.隨著風(fēng)速v進(jìn)一步減小，風(fēng)力機(jī)進(jìn)入并網(wǎng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，并準(zhǔn)備脫網(wǎng)（5區(qū)域）.當(dāng)風(fēng)速v小于切入風(fēng)速后，風(fēng)力機(jī)停機(jī)（6區(qū)域）.

可以觀察到，5區(qū)域與圖8中2區(qū)域啟動工況的轉(zhuǎn)速差不多，但是比2區(qū)域的振動速度V要小，4、5區(qū)域中的振動速度相差不多.從圖9（c）中也可以看到，隨著轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速減小，與脫網(wǎng)經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)的振動速度峰值相差不大;當(dāng)風(fēng)力機(jī)為停機(jī)狀態(tài)時(shí)，振動速度很小.

可見，風(fēng)力機(jī)啟動和停機(jī)過程中的振動特點(diǎn)是不同的，此外，對其他時(shí)段啟停機(jī)過程的振動也進(jìn)行了分析，可以得到類似的結(jié)論.

4? ?振動影響機(jī)制分析

4.1? ?運(yùn)行模態(tài)識別

采用隨機(jī)子空間方法對實(shí)測振動數(shù)據(jù)進(jìn)行自振頻率和阻尼比識別.啟停機(jī)工況下的一階自振頻率和阻尼比，如圖10和11所示.這里的阻尼比ξtotal，主要包括結(jié)構(gòu)阻尼比ξstruct和氣動阻尼比ξaero兩部分[4]：

從圖10和圖11可以看出，該風(fēng)力機(jī)的一階自振頻率隨運(yùn)行工況的變化有微幅變化.停機(jī)狀態(tài)（1和6區(qū)域）對應(yīng)的一階自振頻率最小，1區(qū)域均值為0.425 Hz，6區(qū)域?yàn)?.423 Hz，而其他區(qū)域的自振頻率都略有增大，這是由于葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)，在重力和離心力的作用下導(dǎo)致葉輪的剛度增加，產(chǎn)生離心剛化效應(yīng)，從而影響葉輪自身的動力特性[19].

識別得到的阻尼比離散性較大，但是從總體趨勢上還是有一些規(guī)律：2和5區(qū)域同為并網(wǎng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)，2區(qū)域的阻尼比較小，大多低于2%，圖8中2區(qū)域的振動速度較大;而5區(qū)域的阻尼比較大，大都大于2%，圖9中5區(qū)域的振動速度較小，這也與文獻(xiàn)[3]得到的結(jié)論基本一致，阻尼比是影響結(jié)構(gòu)振幅的重要因素之一.1和6區(qū)域（停機(jī)狀態(tài)）對應(yīng)的阻尼比分別為0.548%和0.237%，此時(shí)葉輪轉(zhuǎn)速很低，為靜止或者空轉(zhuǎn)狀態(tài)，氣動阻尼可以忽略，可近似看做結(jié)構(gòu)阻尼比.其他啟停機(jī)過程的阻尼比也可以得到類似的結(jié)論.

4.2? ?Sommerfeld效應(yīng)分析

風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中不同的振動現(xiàn)象還可以從Sommerfeld效應(yīng)得到進(jìn)一步解釋[20-21].

通常，把不受系統(tǒng)響應(yīng)影響的能量源稱為理想的能量源，隨著系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)而發(fā)生變化的能量源為非理想能量源.Arnold Sommerfeld在研究一個(gè)由不平衡轉(zhuǎn)子和柔性支撐組成的振動系統(tǒng)時(shí)，首次觀察到這種非理想現(xiàn)象[21]，該能量源的一部分能量被用于增加該系統(tǒng)的振動而不是增加轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，如圖12所示.

從圖12可以看到，當(dāng)能量供給不斷增加（例如：風(fēng)速逐漸增大），振幅由a開始增大到b，接近基頻（共振轉(zhuǎn)速Ω），這時(shí)，隨著能量供給進(jìn)一步增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大不多（增加到Ω1），但振幅卻從b增加到較大的值c.之后，如果進(jìn)一步增加能量供給，轉(zhuǎn)速增大到更高的值Ω2，更加遠(yuǎn)離共振轉(zhuǎn)速Ω，振幅c降低到一個(gè)較低的值d.這種a→b→c→d的發(fā)展過程對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的啟動過程.當(dāng)能量供給從大到小時(shí)（例如：風(fēng)速逐漸減?。?，也可以觀察到類似的現(xiàn)象，但過渡路徑是d→e→b→a，對應(yīng)于風(fēng)力機(jī)的停機(jī)過程[21].這也解釋了圖8（c）和圖9（c）中塔頂振動速度與葉輪轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近，當(dāng)轉(zhuǎn)速從小到大變化時(shí)，振動速度有突然增大再減小的現(xiàn)象，但是轉(zhuǎn)速從大到小時(shí)，振動速度變化不大.

此外，從圖12還可以看出，外部能量的大小決定是否有可能快速通過共振區(qū)域.當(dāng)風(fēng)速達(dá)到風(fēng)力機(jī)的切入風(fēng)速，但增加緩慢時(shí)，隨著葉輪過槳頻率接近塔架自振頻率，結(jié)構(gòu)發(fā)生共振會消耗風(fēng)能，葉輪不可能進(jìn)一步加速轉(zhuǎn)動.如圖7，隨著風(fēng)速從2 m/s增大到5 m/s，葉輪轉(zhuǎn)速基本沒有增大，約為10 r/min左右.若風(fēng)速快速增大，有足夠的能量輸入，則能夠驅(qū)動葉輪達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速從而穿越共振區(qū)[22].

5? ?結(jié)? ?論

由于風(fēng)力機(jī)葉輪在啟停機(jī)過程中，不可避免地要經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)在接近并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，過槳頻率3f與結(jié)構(gòu)的一階自振頻率很接近，會引起瞬時(shí)共振.為了了解此時(shí)風(fēng)力機(jī)的振動特性，本文依據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，采用運(yùn)行模態(tài)分析方法，分析了風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中的振動和模態(tài)參數(shù)特征，并通過Sommerfeld效應(yīng)對其進(jìn)行解釋.主要結(jié)論如下：

1）對風(fēng)力機(jī)塔頂?shù)恼駝舆M(jìn)行了長期監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)該風(fēng)力機(jī)在并網(wǎng)轉(zhuǎn)速附近運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)段較多，當(dāng)風(fēng)力機(jī)啟動經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)塔頂振動明顯加強(qiáng)，風(fēng)力機(jī)停機(jī)經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，振幅變化不明顯.

2）基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的SSI方法識別了風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中一階自振頻率和阻尼比.風(fēng)力機(jī)的一階自振頻率隨運(yùn)行工況不同而微幅變化，停機(jī)狀態(tài)的一階自振頻率最小;葉輪轉(zhuǎn)動時(shí)，由于離心剛化效應(yīng)，自振頻率略有增大.風(fēng)力機(jī)啟動經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，阻尼比較小，對應(yīng)的振動速度較大;風(fēng)力機(jī)停機(jī)經(jīng)過并網(wǎng)轉(zhuǎn)速時(shí)，阻尼比較大，對應(yīng)的振動速度較小;在相同的葉輪轉(zhuǎn)速下，振幅與阻尼比成反比.

3）Sommerfeld效應(yīng)可以解釋風(fēng)力機(jī)在啟停機(jī)過程中不同的振動現(xiàn)象.在風(fēng)力機(jī)啟動過程中，隨著葉輪轉(zhuǎn)速增加接近共振頻率，風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的共振會消耗風(fēng)能，葉輪轉(zhuǎn)速增加緩慢，但風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)振幅增大.當(dāng)有足夠的風(fēng)能輸入，才能驅(qū)動葉輪達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速從而穿越共振.

4）在進(jìn)行風(fēng)力機(jī)塔架設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)開展塔架基頻優(yōu)化，避開1f 和3f頻率帶10%以上，并采取合適的控制策略，使風(fēng)力機(jī)快速穿越共振區(qū)，以減少可能出現(xiàn)的共振現(xiàn)象.

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