某風(fēng)電場(chǎng)技改前后載荷測(cè)試分析

摘 要：【目的】某風(fēng)電場(chǎng)在技改前，風(fēng)機(jī)經(jīng)常出現(xiàn)異響、振動(dòng)大等現(xiàn)象，為有效支撐技改服務(wù)，解決風(fēng)機(jī)異常問題，開展了載荷測(cè)試工作?！痉椒ā考几那昂蠓謩e對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行載荷測(cè)試，并從不同風(fēng)速下載荷量、極限載荷對(duì)比、時(shí)序頻譜、1 Hz等效疲勞載荷、塔架固有頻率等方面進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】技改前后該風(fēng)機(jī)等效載荷變化趨勢(shì)一致，且在風(fēng)速9 m/s以下數(shù)值相近，但風(fēng)速超過9 m/s后，技改后風(fēng)機(jī)等效載荷為1 935.30 kN·m，遠(yuǎn)大于技改前的1 590.18 kN·m。測(cè)試結(jié)果顯示，技改后風(fēng)機(jī)發(fā)電能力、變槳能力變?nèi)?，因其在大風(fēng)情況下葉片變槳小，風(fēng)載變大，加之新軸承自身重量增加，使得風(fēng)機(jī)等效載荷明顯增大?！窘Y(jié)論】技改后該風(fēng)機(jī)異常問題基本解決，此結(jié)果對(duì)同類型機(jī)組工程改造具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：風(fēng)電場(chǎng)；風(fēng)速；載荷測(cè)試

中圖分類號(hào)：TK8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2024）18-0044-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.18.009

Load Test and Analysis of a Wind Farm Before and After Technical

Reform

XIAO Shengzhong1，2 CHAI Baotong3 LI Peng2 LI Wei1 LI Lingfeng1

YAO Jinda4 YANG Shuai3

（1.Inner Mongolia Huadian New Energy Branch Company， Hohhot 010000， China;

2.Inner Mongolia Hua Dian Ba Yin Wind Power Generation Co.， Ltd.， Baotou 014000， China;

3.Huadian Electric Power Research Institute， Hangzhou 310000， China;

4.Huadian Fuxinzhayou Zhongqi Hongpan Wind Power Power Co.， Ltd.， Chahar Right Middle Banner，013500， China）

Abstract： [Purposes] Before the technical transformation of a wind power plant， the abnormal noise and vibration of the wind turbine often occur. In order to effectively support the technical transformation and solve the abnormal problem of the fan， the load test work was carried out. [Methods] Before and after the technical reform， the load test of the fan was carried out， the load quantity under different wind speeds， the comparison of limit load， the time series spectrum， the equivalent fatigue load of 1Hz and the natural frequency of tower are analyzed. [Findings] The change trend of the equivalent load of the fan before and after the technical reform is the same， and the value is similar under the wind speed 9 m/s， but as the wind speed exceeds 9 m/s， the equivalent load of the fan after the technical reform is 1 935.30 kN·m， which is much larger than 1 590.18 kN·m before the technical reform. The test results show that the power generation capacity and pitch ability of the fan are weakened after the technical transformation， so that the blade pitch is small and the wind load is large in the case of strong wind. In addition， the weight of the new bearing increases， which makes the equivalent load of the fan increase obviously. [Conclusions] After the technical reform， the abnormal problem of the fan is basically solved， which has certain reference significance for the engineering reform of the same type of units in the industry.

Keywords： wind farm; three -column bearings; load test

0 引言

在風(fēng)電機(jī)組技改前后往往分別進(jìn)行載荷測(cè)試，以進(jìn)一步驗(yàn)證技改效果。林鈞斌等［1］對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械載荷測(cè)試常用方法進(jìn)行了研究，提出了一套適合市場(chǎng)的檢測(cè)流程；王樹軍等［2］對(duì)鋼塔機(jī)組仿真載荷與測(cè)量值進(jìn)行了比較，針對(duì)實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果差異性開展了相關(guān)研究；石宇峰等［3］根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)載荷測(cè)試方法進(jìn)行了研究，給出了測(cè)試時(shí)應(yīng)該注意的一些問題。

某風(fēng)電場(chǎng)多臺(tái)風(fēng)機(jī)出現(xiàn)異響，機(jī)艙底座出現(xiàn)晃動(dòng)，需要進(jìn)行更換新三列軸承的技術(shù)改造工作。本文對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)機(jī)在技改前后分別進(jìn)行了載荷測(cè)試，研究結(jié)果對(duì)行業(yè)同類型機(jī)組改造具有一定的指導(dǎo)意義。

1 載荷測(cè)試原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 原理

風(fēng)力機(jī)組所受載荷主要由重力和慣性載荷、空氣動(dòng)力載荷、機(jī)組運(yùn)行載荷等組成［4］。機(jī)組不同部件的受載情況都需要重點(diǎn)關(guān)注，主要包括葉片各截面載荷、輪轂載荷及塔架各截面載荷。

葉片是風(fēng)力機(jī)組的重要部件之一，葉片載荷主要受空氣動(dòng)力、重力及慣性力影響。葉片的空氣動(dòng)力載荷利用葉素-動(dòng)量理論計(jì)算，將葉片簡化為有限個(gè)葉素［5］，通過積分求得葉片擺振與揮舞方向的彎矩。

傾覆彎矩和翻滾彎矩通過計(jì)算塔筒彎矩信號(hào)和機(jī)艙偏航位置得到，具體見式（1）至式（4）。

Mttn = TTB0-180 × cos（θ） + TTB90-270 × sin（θ） （1）

Mttl = –TTB0-180 × sin（θ） + TTB90-270 × cos（θ） （2）

Mtn = TBB0-180 × cos（θ） + TBB90-270 × sin（θ） （3）

Mtl = –TBB0-180 × sin（θ） + TBB90-270 × cos（θ） （4）

式中：θ為修正過的機(jī)艙偏航位置。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

風(fēng)電機(jī)組局部載荷測(cè)試系統(tǒng)采用三臺(tái)德國IMC數(shù)據(jù)采集器，其中兩臺(tái)型號(hào)為DCB8，一臺(tái)型號(hào)為BUSDAQ-4。其主要用來采集風(fēng)力發(fā)電機(jī)組載荷的應(yīng)變信號(hào)。DCB8數(shù)據(jù)采集器有8路模擬輸入通道，BUSDAQ-4有4路數(shù)字輸入通道，4路CAN節(jié)點(diǎn)，最高采樣頻率為200 Hz。

應(yīng)變片型號(hào)為BF350-3BB（11）-P400和BF350-3HA（11）N4-P400，分別用于彎矩和扭矩的測(cè)量。采樣的數(shù)據(jù)包括機(jī)艙風(fēng)速、載荷、功率和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的狀態(tài)信號(hào)，具體測(cè)量方式如圖1所示。

本研究涉及的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓測(cè)試量通過牧鐳激光測(cè)風(fēng)雷達(dá)系統(tǒng)采集，測(cè)試采集的高度層級(jí)分別為40、50、60、65、70、75、80、85、90、95、100 、110 m，計(jì)算采用75 m處的風(fēng)速、風(fēng)向數(shù)據(jù)。測(cè)量塔底、塔頂、機(jī)艙輪轂彎矩的應(yīng)變片型號(hào)為BF350-3BB（11）–P400，靈敏度系數(shù)為2.08，應(yīng)變片組合方式為全橋，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。測(cè)量塔頂、機(jī)艙輪轂扭矩的應(yīng)變片型號(hào)為BF350-3HA-A（11）N4-P400，靈敏度系數(shù)為2.07，結(jié)構(gòu)為V形片，應(yīng)變片組合方式為全橋。

彎矩應(yīng)變片安裝位置如圖2、圖3所示。塔頂彎矩和扭矩應(yīng)變片安裝在同一高度。輪轂應(yīng)變片安裝于內(nèi)軸承內(nèi)側(cè)，方位為0°、90°、180°、270°正方向。

塔筒信號(hào)通過分流電阻來標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)取決于分流電阻的標(biāo)定結(jié)果，標(biāo)定結(jié)果與塔筒結(jié)構(gòu)及應(yīng)變片安裝位置有關(guān)系。補(bǔ)償系數(shù)為偏航一周的平均值。

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)要求

正常發(fā)電情況下的測(cè)試結(jié)果，需要包含以下數(shù)據(jù)：①正常發(fā)電情況下的俘獲矩陣；②載荷數(shù)據(jù)（10 min平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差）與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系；③等效載荷與風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系；④時(shí)間序列及頻譜圖。測(cè)試過程中需要剔除以下數(shù)據(jù)：①測(cè)量扇區(qū)-63°～82°之外的數(shù)據(jù)；②風(fēng)電機(jī)組非正常運(yùn)行情況下的數(shù)據(jù)，包括安全鏈斷開、手動(dòng)停機(jī)等；③記錄時(shí)間小于10 min的數(shù)據(jù)；④測(cè)試系統(tǒng)出現(xiàn)問題期間的數(shù)據(jù)；⑤輪轂溫度小于-10 °C和結(jié)冰期間的數(shù)據(jù)；⑥明顯異常的數(shù)據(jù)。根據(jù)國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范IEC 61400-13的要求，應(yīng)通過正常發(fā)電情況下的俘獲矩陣來確定數(shù)據(jù)是否完整。

測(cè)試期間的氣象數(shù)據(jù)（測(cè)量扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)）有①輪轂高度的平均氣溫為-9.77 °C ；②近地高度的平均氣壓為854.99 hPa ；③平均空氣密度為1.131 kg/m3；④平均湍流強(qiáng)度為6.70 %。

通過上述檢測(cè)，獲得了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組某風(fēng)機(jī)載荷的測(cè)試數(shù)據(jù)，有效數(shù)據(jù)量為1 657個(gè)，正常運(yùn)行下的俘獲矩陣符合IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的樣本數(shù)量及分布，通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法對(duì)其結(jié)果進(jìn)行有效性分析。

2.2 測(cè)試結(jié)果分析

2.2.1 不同風(fēng)速下載荷量分析。統(tǒng)計(jì)俘獲矩陣中所有風(fēng)速下的載荷，通過與該風(fēng)機(jī)在技改前的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，得出正常工作時(shí)載荷的變化情況，見表1至表3，其中m為材料系數(shù)。

2.2.2 極限載荷對(duì)比分析。技改前后，分別對(duì)該風(fēng)機(jī)進(jìn)行了極限載荷測(cè)試，風(fēng)速13 m/s時(shí)的對(duì)比結(jié)果見表4。由表4可知：①更換新三列軸承后，風(fēng)機(jī)塔頂極限彎矩降低，但標(biāo)準(zhǔn)差變大，說明技改后塔筒極限載荷更加安全，但是晃動(dòng)變得劇烈；②極限扭矩稍微變大，且標(biāo)準(zhǔn)差變大，說明輪轂及主軸部分扭力更大，且振動(dòng)變大，考慮到軸承變重，且外徑變大、內(nèi)徑變小，此變化在合理范圍內(nèi)；③塔底左右極限彎矩及標(biāo)準(zhǔn)差增加幅度較大，說明風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)左右振動(dòng)變大，且塔底左右承受重量增加劇烈，但仍然遠(yuǎn)小于前后載荷，因此塔底左右彎矩極值增大僅會(huì)對(duì)風(fēng)機(jī)壽命產(chǎn)生影響；④塔底前后極限彎矩及標(biāo)準(zhǔn)差減小，說明塔底前后承重減小，且更加穩(wěn)固。

2.2.3 時(shí)序頻譜分析。由于采用地面激光雷達(dá)測(cè)風(fēng)，目前取得的氣象數(shù)據(jù)為統(tǒng)計(jì)完成后的氣象值（10 min最大、最小、平均、偏差）， 所涉及的風(fēng)速風(fēng)向10 min時(shí)域圖均為一條直線，如圖4所示。

2.2.4 1 Hz等效疲勞載荷分析。等效疲勞載荷公式見式（5）。

[F=fmiNiNm] （5）

式中：fi為第i個(gè)載荷區(qū)間對(duì)應(yīng)的載荷；Ni為第i個(gè)載荷區(qū)間載荷的循環(huán)次數(shù)；N為選取的參考次數(shù)；m為材料系數(shù)。

10 min疲勞載荷的計(jì)算見式（6）。這組結(jié)果與原始數(shù)據(jù)具有相同的破壞效應(yīng)。Neq是一個(gè)可隨意選定的值，選擇600個(gè)的目的是與1 Hz等效載荷相匹配。

[Leq=Rmi×niNeq1m] （6）

式中：Leq為等效載荷； Ri為疲勞載荷譜的第i級(jí)載荷范圍 ；ni為第i級(jí)載荷范圍中的計(jì)數(shù)結(jié)果 ；Neq為600個(gè)等效循環(huán)（與1 Hz對(duì)應(yīng)）； m為材料系數(shù)。

10 min樣本數(shù)據(jù)不同風(fēng)速下1 Hz等效疲勞載荷情況如圖5至圖8所示。由圖5至圖8可知，技改前后該風(fēng)機(jī)等效載荷變化趨勢(shì)一致，且在風(fēng)速9 m/s以下數(shù)值相近，但風(fēng)速超過9 m/s后，技改后風(fēng)機(jī)等效載荷遠(yuǎn)大于技改前，說明更換新三列軸承后使得風(fēng)機(jī)等效載荷增加明顯，雖然從極限載荷標(biāo)準(zhǔn)差可知塔筒更穩(wěn)定，但等效承重增加明顯，意味著壽命將明顯減少。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是，新三列軸承更換后，風(fēng)機(jī)發(fā)電能力、變槳能力變?nèi)?，從而在大風(fēng)情況葉片變槳小，風(fēng)載變大，又加上新軸承自身重量增加，使得風(fēng)機(jī)等效載荷明顯增大。

2.2.5 塔架固有頻率。塔架固有頻率變化較小，具體見表5，說明風(fēng)機(jī)共振區(qū)基本不變，符合安全要求。

3 結(jié)論

某風(fēng)機(jī)場(chǎng)風(fēng)機(jī)在技改前后，分別對(duì)其進(jìn)行載荷測(cè)試及對(duì)比分析，得出以下結(jié)論。

結(jié)果顯示，技改前后該風(fēng)機(jī)等效載荷變化趨勢(shì)一致，且在風(fēng)速9 m/s以下數(shù)值相近，但風(fēng)速超過9 m/s后，技改后風(fēng)機(jī)等效載荷為1 935.30 kN·m，遠(yuǎn)大于技改前1 590.18 kN·m。技改后風(fēng)機(jī)發(fā)電能力、變槳能力變?nèi)?，從而在大風(fēng)情況葉片變槳小，風(fēng)載變大，再加上新軸承自身重量增加，使得風(fēng)機(jī)等效載荷明顯增大。研究表明，通過技改基本解決了該風(fēng)機(jī)異常問題，對(duì)行業(yè)同類型機(jī)組工程改造具有一定的借鑒意義。

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