2020海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)

海上風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)目錄TOC\o"1-2"\h\u28707一、概述 3481二、大型海上風(fēng)電機(jī)組及其特點(diǎn) 516983１大型海上風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn) 519162２大型海上風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)技術(shù) 54814３大型海上風(fēng)電機(jī)組類型 56376４大型海上風(fēng)電機(jī)組開發(fā)及應(yīng)用 69576（續(xù)） 914705三、風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì) 1020201１風(fēng)電機(jī)組塔架模態(tài) 1024376２風(fēng)電塔架系統(tǒng)整體建模方法 1111220四、葉片試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 1215961１葉片運(yùn)動(dòng)學(xué)方程 132798圖５?５葉片振動(dòng)模型 134403２阻尼模態(tài)試驗(yàn) 144354３頻率模態(tài)試驗(yàn) 155548４振型（彎矩）分布 151951五、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 1819813１概述 185860２風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè) 2024805３在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用 22一、概述目前，絕大部分已完成裝機(jī)的海上風(fēng)電機(jī)組的容量在２～６ＭＷ范圍，這些風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)為三葉片、變槳控制、上風(fēng)向葉輪，異步感應(yīng)發(fā)電機(jī)、雙饋異步發(fā)電機(jī)和永磁（直驅(qū)，半直驅(qū)）式發(fā)電機(jī)等。大型海上風(fēng)電機(jī)組為５～７ＭＷ級(jí)，６ＭＷ機(jī)組已有的完成了安裝、試運(yùn)行，這些機(jī)組全是三葉片的，大都采用直驅(qū)（半直驅(qū)）式設(shè)計(jì)，也有少量仍采用齒輪箱，轉(zhuǎn)速涵蓋中、高速。更大容量的風(fēng)電機(jī)組包括ＧＥ公司的１５ＭＷ機(jī)型，該風(fēng)電機(jī)組采用高溫超導(dǎo)ＨＳＴ發(fā)電機(jī)。此外，還出現(xiàn)了采用“Ｖ”字形葉輪的垂直軸１０ＭＷＡｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒＸ機(jī)組等。雙葉片海上風(fēng)電機(jī)組已有公司在設(shè)計(jì)，如荷蘭的２?Ｂ能源公司、德國(guó)的Ａｅｒｏｄｙｎ公司、英國(guó)的Ｃｏｎｄｏｒ風(fēng)能公司和中國(guó)遠(yuǎn)景能源公司。圖５?１所示為我國(guó)某企業(yè)設(shè)計(jì)的Ｅ１２８型３６ＭＷ雙葉片直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組，該機(jī)組的特點(diǎn)如下：１）運(yùn)輸成本低，便于通過海上直接運(yùn)輸葉輪總成；２）節(jié)省吊裝時(shí)間、施工成本低，可以一次吊裝就位；３）減輕了葉片、機(jī)艙、塔架重量；４）總長(zhǎng)為６２ｍ的葉片采用強(qiáng)化玻璃纖維材料，一部分是長(zhǎng)度為２０ｍ固定角圖５?１Ｅ１２８型３６ＭＷ雙葉片直驅(qū)式海上風(fēng)電機(jī)組示意圖度不變的內(nèi)葉片（亦稱作根展葉片），另一部分為４２ｍ長(zhǎng)的可變槳的外葉片，具有部分變槳功能，其中，變槳軸承和電控系統(tǒng)安裝在內(nèi)葉片和外葉片之間；５）避雷效果更好，三葉片風(fēng)電機(jī)組雷擊點(diǎn)集中在葉片端，而雙葉片由于形成了一個(gè)相對(duì)而言更加開放和分散的結(jié)構(gòu)，使得雙葉片整體具備防雷擊的自我保護(hù)功能。二、大型海上風(fēng)電機(jī)組及其特點(diǎn)１大型海上風(fēng)電機(jī)組的特點(diǎn)大型海上風(fēng)電機(jī)組相對(duì)于同等容量的陸上風(fēng)電機(jī)組，具有以下特點(diǎn)：１）葉輪直徑更大，額定風(fēng)速更低；２）風(fēng)速隨高度的變化率小，輪轂高度降低；３）葉尖速比高，因不受噪聲限制，風(fēng)電機(jī)組轉(zhuǎn)速提高了１０％～３５％，增加了發(fā)電量，轉(zhuǎn)矩降低，同時(shí)還減小了傳動(dòng)系統(tǒng)的重量和成本；４）提高防腐保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，如內(nèi)部采用密封措施，齒輪箱和發(fā)電機(jī)的空冷系統(tǒng)的空氣通過再循環(huán)進(jìn)行熱交換，避免了外界空氣的進(jìn)入，同時(shí)，在機(jī)艙和塔架內(nèi)需要安裝除濕裝置。通過增加塔架壁厚、采用電極防護(hù)和鍍層措施加強(qiáng)外部防腐保護(hù)。２大型海上風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)技術(shù)大型海上風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)技術(shù)涉及以下兩個(gè)方面：１）大型化及抗臺(tái)風(fēng)設(shè)計(jì)，包括葉片、齒輪箱、直驅(qū)和半直驅(qū)型發(fā)電機(jī)、塔架等；２）新型結(jié)構(gòu)形式，包括二葉片、下風(fēng)向、柔性葉片，高壓發(fā)電機(jī)（輸出電壓為１０ｋＶ）和高壓輸電技術(shù)，例如，由直流輸電取代交流輸電方式以減少損耗等。３大型海上風(fēng)電機(jī)組類型（１）直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組２００７年，世界上只有德國(guó)的ＥＮＥＲＣＯＮ公司和我國(guó)金風(fēng)科技公司能夠生產(chǎn)直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組。近年來，隨著機(jī)組容量的增大，電網(wǎng)對(duì)于風(fēng)電并網(wǎng)的要求日趨嚴(yán)格，直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組尤其是永磁直驅(qū)技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組具有的優(yōu)越性能充分展現(xiàn)出對(duì)電網(wǎng)的友好性，使得西門子、ＧＥ等公司也紛紛開展永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)。海上５ＭＷ及以上大型風(fēng)電機(jī)組采用永磁直驅(qū)技術(shù)，該趨勢(shì)已經(jīng)形成，直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組在海上風(fēng)電市場(chǎng)具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵擄L(fēng)電機(jī)組無需齒輪箱，減少了齒輪箱維護(hù)成本，齒輪箱維護(hù)成本超過了直驅(qū)型機(jī)組增加的初始投資成本。與雙饋風(fēng)電機(jī)組相比，直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組采購(gòu)成本每千瓦僅僅增加７０～８０元人民幣，但其發(fā)電量更多、維修工作量更小，因此，性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯。采用永磁直驅(qū)技術(shù)，利用其自身勵(lì)磁的優(yōu)勢(shì)，可大幅度降低電能損失，風(fēng)電機(jī)組的總體效率得以提高３％～５％。此外，直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組由于沒有齒輪箱，減少了故障率，對(duì)于海上風(fēng)電機(jī)組而言，沒有齒輪箱也降低了潤(rùn)滑油泄漏污染海面的危險(xiǎn)。盡管去除了齒輪箱，但該機(jī)型也增大了風(fēng)電機(jī)組的重量和體積，機(jī)身更大、所用鋼材也將更多，存在發(fā)電機(jī)散熱與機(jī)頭載荷大等不足。直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組機(jī)頭重量過重，往往會(huì)增大機(jī)艙和輪轂聯(lián)合處的磨損量。２０１１年８月８日，我國(guó)湘電風(fēng)能有限公司研制生產(chǎn)的ＸＤ１１５?５０００海上直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組在荷蘭北部的Ｗｉｅｒｉｎｇｅｒｗｅｒｆ風(fēng)電場(chǎng)順利完成吊裝，進(jìn)入試驗(yàn)階段。該風(fēng)電機(jī)組葉輪中心高為１００ｍ、葉輪直徑為１１５ｍ，減少了齒輪箱和其他相關(guān)零部件，采用直驅(qū)技術(shù)、永磁發(fā)電機(jī)、單主軸軸承、先進(jìn)的葉片、密封的機(jī)艙和集成控制系統(tǒng)，使得風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的可靠性和效率顯著提高。同時(shí)，通過對(duì)該風(fēng)電機(jī)組的機(jī)頭采用輕量化設(shè)計(jì)，降低了海上風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)載荷量、安裝更為便利。（２）雙饋風(fēng)電機(jī)組該機(jī)型采用齒輪箱和高速發(fā)電機(jī)技術(shù)，以及模塊化和一體化設(shè)計(jì)方案。雙饋技術(shù)經(jīng)歷過長(zhǎng)時(shí)間檢驗(yàn)，成熟并一直被丹麥維斯塔斯、我國(guó)華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司等企業(yè)所采用。華銳風(fēng)電科技（集團(tuán)）股份有限公司６ＭＷ風(fēng)電機(jī)組已于２０１１年６月下線。歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)具有風(fēng)速穩(wěn)定、沒有風(fēng)沙、電網(wǎng)穩(wěn)定特點(diǎn)，對(duì)諧波容忍程度高，再加上齒輪箱質(zhì)量好，雙饋風(fēng)電機(jī)組技術(shù)相對(duì)成熟，因此，已在歐洲多個(gè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)得到成功應(yīng)用。（３）半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組直驅(qū)型和雙饋風(fēng)電機(jī)組各具特點(diǎn)，這兩種機(jī)型正有逐漸融合之勢(shì)。目前，我國(guó)部分企業(yè)已經(jīng)開始生產(chǎn)兼顧這兩種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組。半直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵在于傳動(dòng)和載荷，屬于帶有中速發(fā)電機(jī)的單級(jí)傳動(dòng)平臺(tái)，能夠兼顧直驅(qū)和雙饋風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)。此外，還出現(xiàn)了采用多發(fā)電機(jī)系統(tǒng)形式的機(jī)型。４大型海上風(fēng)電機(jī)組開發(fā)及應(yīng)用由于海上特殊的自然條件帶來的安裝、維修高費(fèi)用，必須依靠大型化風(fēng)電機(jī)組技術(shù)才能解決大規(guī)模商用的成本問題。近年來，在土地資源稀缺和減排要求的雙重壓力下，歐美國(guó)家均開始大力開發(fā)海上風(fēng)電資源。根據(jù)英、法兩國(guó)公布的未來十年規(guī)劃，新建設(shè)的７６００臺(tái)海上風(fēng)電機(jī)組平均單機(jī)容量都要求在５ＭＷ以上。據(jù)報(bào)道，美國(guó)能源部和內(nèi)政部近期發(fā)布了《國(guó)家海上風(fēng)電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國(guó)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)》。這是美國(guó)歷史上首個(gè)關(guān)于海上風(fēng)電的機(jī)構(gòu)間合作規(guī)劃。該規(guī)劃重點(diǎn)擬解決三個(gè)問題：海上風(fēng)電的相對(duì)高成本，安裝、運(yùn)營(yíng)和并網(wǎng)方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和項(xiàng)目審批程序經(jīng)驗(yàn)的匱乏。美國(guó)計(jì)劃到２０１５年投資５０５０萬美元重點(diǎn)發(fā)展海上風(fēng)電，其中，技術(shù)開發(fā)投入２５００萬美元，支持開發(fā)創(chuàng)新型風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)工具和硬件，為美國(guó)發(fā)展具有成本競(jìng)爭(zhēng)力和世界一流水平的海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)奠定基礎(chǔ)。我國(guó)已具備設(shè)計(jì)制造大型海上風(fēng)電機(jī)組的能力，６ＭＷ大型海上風(fēng)電機(jī)組已完成吊裝或試運(yùn)行。國(guó)家科學(xué)技術(shù)部制定《風(fēng)力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項(xiàng)規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》），明確未來的重點(diǎn)任務(wù)涉及基礎(chǔ)研究類、研究開發(fā)類等７個(gè)層面，其中，對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究開發(fā)包括“１０ＭＷ級(jí)風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)技術(shù)”、“３ＭＷ到５ＭＷ永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”和“７ＭＷ級(jí)風(fēng)電機(jī)組研制及產(chǎn)業(yè)化技術(shù)”。大容量風(fēng)電機(jī)組相關(guān)技術(shù)研究已成為我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新的重點(diǎn)，國(guó)家擬通過“８６３計(jì)劃”重點(diǎn)資助研發(fā)１０ＭＷ大型海上風(fēng)電機(jī)組，計(jì)劃采用永磁直驅(qū)、雙饋或超導(dǎo)技術(shù)。《規(guī)劃》還明確特大型風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)將成為我國(guó)風(fēng)電開發(fā)的需求重點(diǎn)，“十二五”期間，我國(guó)將規(guī)劃建設(shè)６個(gè)陸上和２個(gè)海上及沿海風(fēng)電基地。圖５?２～圖５?４所示分別為已量產(chǎn)或投產(chǎn)的高速、低中速齒輪式和直驅(qū)型大型海上風(fēng)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)示意圖，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別如表５?１～表５?３所示。圖５?２高速齒輪式大型海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖表５?１高速齒輪式大型海上風(fēng)電機(jī)組序號(hào)型號(hào)功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱發(fā)電機(jī)種類能電轉(zhuǎn)換箱安裝位置１Ｂａｒｄ５０５１２２半整體三級(jí)雙饋感應(yīng)塔筒基２Ｂａｒｄ６５６５１２２半整體分散式永磁塔筒基３瑞能（Ｒｅｐｏｗｅｒ）５Ｍ５１２６非整體式主軸、雙轉(zhuǎn)子軸承三級(jí)雙饋感應(yīng)機(jī)艙４瑞能（Ｒｅｐｏｗｅｒ）６Ｍ６１２６非整體式主軸、雙轉(zhuǎn)子軸承三級(jí)雙饋感應(yīng)機(jī)艙（續(xù)）序號(hào)型號(hào)功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱發(fā)電機(jī)種類能電轉(zhuǎn)換箱安裝位置５西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?３６?１０７３６１０７非整體式主軸、雙轉(zhuǎn)子軸承三級(jí)行星齒輪異步感應(yīng)塔筒基（流整流器，機(jī)艙換流器和變壓器）６西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?３６?１２０３６１２０非整體式主軸、雙轉(zhuǎn)子軸承三級(jí)行星齒輪異步感應(yīng)機(jī)艙（交直流整流器，機(jī)艙換流器和變壓器）７華銳（Ｓｉｎｏｖｅｌ）ＳＬ３０００３９１３非整體式三級(jí)雙饋感應(yīng)／８華銳（Ｓｉｎｏｖｅｌ）ＳＬ６０００６１２８非整體式三級(jí)異步感應(yīng)／９維斯塔斯（Ｖｅｓｔａｓ）Ｖ９０?３０ＭＷ３９０半整體、單轉(zhuǎn)子軸承三級(jí)雙饋感應(yīng)機(jī)艙圖５?３低中速齒輪式大型海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖表５?２低中速齒輪式大型海上風(fēng)電機(jī)組序號(hào)型號(hào)功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)齒輪箱發(fā)電機(jī)種類能電轉(zhuǎn)換箱安裝位置１阿?，m（ｒｅｖａ）Ｍ５０００５１１６低速：全整體單轉(zhuǎn)子軸承單級(jí)行星式雙饋感應(yīng)塔筒基２歌美颯（Ｇａｍｅｓａ）Ｇ１１Ｘ?５０ＭＷ５１２８中速：主軸軸承：凸緣主體元件兩級(jí)永磁塔筒基３維斯塔斯（Ｖｅｓｔａｓ）Ｖ１６４?７０ＭＷ７１６４中速：主軸軸承：凸緣主體元件三級(jí)雙饋感應(yīng)機(jī)艙圖５?４直驅(qū)型大型海上風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖表５?３直驅(qū)型大型海上風(fēng)電機(jī)組序號(hào)型號(hào)功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)種類能電轉(zhuǎn)換箱安裝位置１阿爾斯通（Ａｌｓｔｏｍ）Ｈａｌｉａｄｅ１５０６１５０前置電機(jī)液冷、永磁塔筒基２通用電氣（ＧＥ）４１?１１３４１１１３后置電機(jī)空心主軸永磁機(jī)艙３ＮｏｒｄｅｘＮ１５０／６０００６１５０后置電機(jī)獨(dú)立轉(zhuǎn)子和電機(jī)軸用扭轉(zhuǎn)軸相連液冷、永磁／４西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?６０?１２０６１２０前置電機(jī)單轉(zhuǎn)子軸承液冷、永磁機(jī)艙５ＳＴＸ７２２７２前置電機(jī)單轉(zhuǎn)子軸承被動(dòng)風(fēng)冷、永磁塔筒基６湘電風(fēng)能（ＸＥＭＣＷｉｎｄｐｏｗｅｒ）ＸＤ１１５５１１５前置電機(jī)單轉(zhuǎn)子軸承被動(dòng)強(qiáng)制風(fēng)冷、永磁塔筒基三、風(fēng)電機(jī)組塔架設(shè)計(jì)１風(fēng)電機(jī)組塔架模態(tài)采用分析力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)和有限元方法研究風(fēng)電機(jī)組的塔架模態(tài)，有學(xué)者曾在實(shí)驗(yàn)室對(duì)一個(gè)垂直軸風(fēng)電機(jī)組模型在停機(jī)和運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，獲得相應(yīng)的頻率及其阻尼比。但是，實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)組塔架通常處在惡劣多變的自然環(huán)境中，且在高聳塔架的頂端安裝有截面形狀復(fù)雜的葉輪、機(jī)械裝置及其附屬配件，很難通過理論方法和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜏?zhǔn)確地得到該結(jié)構(gòu)的模態(tài)。因此，采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法便成為獲得風(fēng)電機(jī)組塔架模態(tài)較為可靠的方法。ＧＬ規(guī)范和國(guó)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組相關(guān)規(guī)范都要求對(duì)塔架進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，但都沒有給出相應(yīng)模態(tài)阻尼比的建議值。另外，目前風(fēng)電塔架系統(tǒng)有限元建模多采用將槳葉和機(jī)艙凝聚成塔頂?shù)馁|(zhì)量塊的簡(jiǎn)化處理方法，但此方法無法準(zhǔn)確地反映槳葉與塔架的耦合關(guān)系，也無法體現(xiàn)槳葉的振動(dòng)形式，槳葉與塔架之間相互作用的不確定性可能帶來經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)或者存在安全隱患。有學(xué)者提出了一種基于剪力傳遞的槳葉和塔架的耦合機(jī)制，該方法雖然考慮到了槳葉和塔架之間的耦合，但是忽略了兩者之間彎矩、扭矩和軸力的傳遞等。２風(fēng)電塔架系統(tǒng)整體建模方法槳葉—輪轂—機(jī)艙—塔架耦合整體建模方法，通過分析風(fēng)電塔架系統(tǒng)的模態(tài)，獲得塔架的固有頻率和振型。（１）風(fēng)電塔架系統(tǒng)整體建模以某１５ＭＷ／７７直驅(qū)型風(fēng)電機(jī)組為例進(jìn)行測(cè)試，風(fēng)電機(jī)組輪轂高為６５ｍ，由三節(jié)塔段構(gòu)成，塔底直徑為４ｍ、厚度為２６ｍｍ，塔頂直徑為２５７ｍ、厚度為１２ｍｍ，彈性模量為２１×１０１１Ｎ／ｍ２，密度為７８５０ｋｇ／ｍ３。根據(jù)塔架的幾何特征和主要受力特點(diǎn)，采用八節(jié)點(diǎn)ＳＨＥＬＬ１８１殼體單元。風(fēng)電機(jī)組葉輪直徑為７７ｍ，根據(jù)剛度等效原則將不規(guī)則的槳葉轉(zhuǎn)化為規(guī)則形狀，可視為中空矩形的變截面懸臂梁，葉底截面為３ｍ×０８ｍ×００１ｍ，葉尖截面為０３ｍ×００８ｍ×００１ｍ，采用ＢＥＡＭ１８９單元，葉片材料為玻璃鋼，可看作正交各向異性材料，密度為２１００ｋｇ／ｍ３，展向模量為６２５×１０１０Ｐａ，徑向模量為１６５×１０１０Ｐａ，剪切模量為５５×１０９Ｐａ，泊松比為０２２。機(jī)艙和輪轂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在整體分析過程中忽略內(nèi)部細(xì)節(jié)特征，因此，將機(jī)艙和輪轂簡(jiǎn)化為質(zhì)量點(diǎn)，采用ＭＡＳＳ２１質(zhì)量單元模擬，設(shè)置單元參數(shù)，考慮其質(zhì)量、質(zhì)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和偏心位置，然后將質(zhì)量單元節(jié)點(diǎn)、塔架頂部和槳葉通過ＣＥＲＩＧ命令剛性連接。由于基礎(chǔ)相對(duì)上部結(jié)構(gòu)剛度很大，認(rèn)為結(jié)構(gòu)底部完全固結(jié)，不考慮土體對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。（２）風(fēng)電塔架模態(tài)分析采用ＢｌｏｃｋＬａｎｃｚｏｓ法對(duì)風(fēng)電塔架系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析，得到固有頻率和振型。其中，前十階固有頻率理論值和振型描述如表５?４所示?？梢?，風(fēng)電塔架的振動(dòng)形式主要表現(xiàn)為側(cè)向彎曲振動(dòng)、前后彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，與實(shí)測(cè)的振動(dòng)形式相同。１）第一階和第二階分別為風(fēng)電塔架的一階側(cè)向彎曲振動(dòng)和一階前后彎曲振動(dòng)，頻率分別為０ｚ和０ｚ，葉片振動(dòng)較??；２）第五階時(shí)塔架出現(xiàn)一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，頻率為１ｚ；３）第九階和第十階時(shí)塔架分別為二階側(cè)向彎曲振動(dòng)和二階前后彎曲振動(dòng)，頻率分別為３ｚ和３ｚ；４）其他階的振型以葉片的振動(dòng)為主。通過對(duì)比可知，塔筒頻率理論值比實(shí)測(cè)值偏高，誤差范圍基本在５％以內(nèi)，從工程的觀點(diǎn)來看可以接受。同時(shí)，誤差主要由理論模型與實(shí)際結(jié)構(gòu)之間存在一定的差異以及脈動(dòng)實(shí)測(cè)本身的誤差等引起。表５?４風(fēng)電塔架系統(tǒng)前十階固有頻率理論值和振型描述階數(shù)頻率／Ｈｚ振型描述１０４２５７塔架一階側(cè)向彎曲振動(dòng)２０４２７５塔架一階前后彎曲振動(dòng)３１０５２４葉片揮舞方向一階：上方葉片保持不動(dòng)，下方兩葉片揮舞異向振動(dòng)４１１７６２葉片揮舞方向一階：上方葉片與下方兩葉片揮舞異向振動(dòng)５１２３２２葉片揮舞方向一階：三葉片揮舞同向振動(dòng)，塔架一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)６１４０２５葉片揮舞方向二階：上方葉片保持不動(dòng)，下方兩葉片揮舞異向振動(dòng)７２３３９８葉片擺振方向一階：三葉片擺陣同向振動(dòng)８３２０２０葉片揮舞方向二階：上方葉片保持不動(dòng)，下方兩葉片揮舞異向振動(dòng)葉片擺振方向一階：上方葉片保持不變，下方兩葉片擺振異向振動(dòng)９３４５７２葉片擺振方向一階：上方葉片與下方兩葉片擺振異向振動(dòng)，塔架側(cè)向二階振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)位于與上方部件連接處１０３４７６９葉片揮舞方向二階：上方葉片與下方兩葉片揮舞異向振動(dòng)葉片擺振方向一階：上方葉片保持不變，下方兩葉片擺振異向振動(dòng)塔架前后二階振動(dòng)，節(jié)點(diǎn)位于與上方部件連接處四、葉片試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析大型風(fēng)電葉片主要采用玻璃鋼等復(fù)合材料，其殼體構(gòu)件復(fù)雜，更長(zhǎng)、更重。例如，丹麥某公司為某６ＭＷ海上風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)了至今全球最長(zhǎng)的葉片，該葉片長(zhǎng)達(dá)７３ｍ重２６ｔ葉根端直徑為３ｍ隨著葉片的大型化以及葉片監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和獨(dú)立變槳控制技術(shù)的應(yīng)用，需要通過采用模態(tài)分析的研究葉片方法動(dòng)態(tài)響應(yīng)。目前，針對(duì)多自由度系統(tǒng)的模態(tài)分析方法主要有試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析和計(jì)算模態(tài)分析兩類。由于風(fēng)電葉片的形狀不規(guī)則，表現(xiàn)出多自由度系統(tǒng)特征，若采用計(jì)算模態(tài)分析方法比較復(fù)雜。因此，可采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法進(jìn)行模態(tài)參數(shù)識(shí)別。大型風(fēng)電葉片尺寸長(zhǎng)，可采用錘擊法和正弦激勵(lì)法對(duì)葉片進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，獲得葉片的阻尼、頻率和振型等模態(tài)參數(shù)，為特征參數(shù)的獲得提供保障，測(cè)出的模態(tài)參數(shù)也為降低葉片共振應(yīng)力提供最基本的依據(jù)。１葉片運(yùn)動(dòng)學(xué)方程５?５

在模態(tài)試驗(yàn)中將風(fēng)電葉片當(dāng)做一個(gè)沿縱向變質(zhì)量的懸臂梁，其振動(dòng)模型如圖所示。葉片的自由動(dòng)態(tài)響應(yīng)可以分解為一系列離散的模態(tài)形式，即模態(tài)阻尼、模態(tài)頻率及模態(tài)振型。在一定的頻率范圍內(nèi)，這些模態(tài)參數(shù)可完整地動(dòng)態(tài)描述風(fēng)電葉片的固有動(dòng)態(tài)特性。假設(shè)葉片揮舞方向受加載力為ｕ（ｔ），葉片動(dòng)力學(xué)方程表示為式（５?１）?！ぃ悖剑酰ǎ簦恙兀玻剑耄恚悖?/p>

（５?１）由式（５?１）可得葉片運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程。

圖５?５葉片振動(dòng)模型ｘ＝０ １

ｘ＋０

０ｕ（ｔ） （５?２）ｋ－ω２ －２εω－ω ０ｋ由式（５?１），建立葉片在強(qiáng)迫振動(dòng)下的振幅ｘ。＝ｘ ｕ（ｔ） ＝ｋ （１－λ２）２＋（２λ）２

（５?３）由式（５?３），可見影響葉片振幅ｘ的主要因素包括剛度、阻尼、頻比和加載力，葉片振幅放大系數(shù)與模態(tài)參數(shù)的關(guān)系如圖５?６所示?？梢?，在ｕ（ｔ）作用下葉片振幅放大系數(shù)受頻比λ和阻尼系數(shù)ξ影響較大。例如，λ接近１且ξ比較小時(shí)，葉片的振幅放大系數(shù)就越大。由于葉片的阻尼系數(shù)ζ普遍較小，所以共振時(shí)葉片的振幅放大系數(shù)較大。圖５?６振幅放大圖２阻尼模態(tài)試驗(yàn)（１）葉片自由振動(dòng)衰減通過采集、分析風(fēng)電葉片在交變應(yīng)力或者交變應(yīng)變作用下的響應(yīng)信號(hào)，計(jì)算反映此葉片的一系列參數(shù)，如對(duì)數(shù)衰減率、阻尼、內(nèi)耗。其中，阻尼反映了葉片在受到外加擾動(dòng)后，受各種阻力的影響，能量逐漸衰減而運(yùn)動(dòng)減弱。將葉片的自由振動(dòng)簡(jiǎn)化成式（５?４）所示質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)微分方程?！ぃ悖剑?（５?４）令，ｘ＝Ｘｅｓｔ，代入式（５?４）得（ｓ２＋ｓ＋ｋ）Ｘｅｓｔ＝０ （５?５）式中，ｓ＝ｃ

２ｃ２－４ｍｋ＝－ｃ± ｃ２２－ｋ，令ωｎ＝ ｃ２２－ｋ。ｍ ２ｍ ４ｍ

４ｍ ｍＸ－ｃＸ－ｃｔｘ＝ｅ２ｍｓｉｎ（ωｎｔ＋α） （５?６）２ｍ式中，為自由振動(dòng)的初始幅值；α為初始相位；ｃ為阻尼系數(shù)。式２ｍ表示葉片振幅隨時(shí)間呈圖５?７所示幾何級(jí)數(shù)遞減特征。圖５?７有阻尼自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)圖（２）阻尼測(cè)試ｌｎ當(dāng)葉片振幅較大時(shí)，受風(fēng)的影響較小，阻尼的計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確。所以，對(duì)阻尼的測(cè)量最好在葉片大振幅振動(dòng)時(shí)進(jìn)行。例如，將葉片加載點(diǎn)的振幅增大到某數(shù)值時(shí)，突然釋放牽引力，得到葉片加載點(diǎn)的振幅衰減曲線如圖５?８所示，并得到阻尼比ｌｎπξ＝２１π

ｙｋｋ＋

（５?７）式中，ｙｋ和ｙｋｎ為相距ｎ個(gè)周期的自由振動(dòng)振幅。圖５?８振幅衰減曲線３頻率模態(tài)試驗(yàn)?zāi)芰恐饕性诘碗A模態(tài)，所以與高階模態(tài)相比，低階模態(tài)具有較大的系數(shù)。研究低階模態(tài)，受迫振動(dòng)的頻率響應(yīng)函數(shù)為）＋Ｈ（ω）＝（１－）＋ωｎ式中，λ＝ω，ωｎ

λｊ （５?８）２）２＋ｌｍＨ（ω）＝（１－２）２＋

λ２

（５?９）大型葉片質(zhì)量大、固有頻率低（一階頻率低于１Ｈｚ），模態(tài)不易激勵(lì)。因此，往往選用葉片尖部作為激勵(lì)點(diǎn)，并將加速度傳感器置于葉片尖部。葉片在施加一個(gè)正弦激振后，會(huì)隨之開始沿Ｆｌａｐｗｉｓｅ方向作振幅逐漸衰減的自由振動(dòng)，電荷放大器將加速度信號(hào)放大傳送給信號(hào)采集器，經(jīng)過采樣和處理后獲得離散數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)ＦＦＴ轉(zhuǎn)換，分析得出葉片的一階與二階固有頻率。試驗(yàn)結(jié)果如圖５?９所示，可見，該葉片的一階固有頻率約為０６４Ｈｚ，二階固有頻率約為１６８Ｈｚ。４振型（彎矩）分布通過對(duì)葉片進(jìn)行單點(diǎn)多級(jí)靜力加載試驗(yàn)，獲得多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的撓度ｙｉ，再經(jīng)二階指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，得到沿葉片展向的撓度變化如圖５?１０所示?；趩卧|(zhì)量法，將風(fēng)電葉片沿展向分割成若干個(gè)質(zhì)量單元Δｍｉ，沿展向的彎矩和加速度與重心的關(guān)系如式（５?１０）所示：ａ ａ ∑Δ ｉ （５?１０）Ｔ＝ ｍｉＬｉω２ｙ＋ｇｉ＝０式中，Ｔａ為葉片彎矩；Δｍｉ為單元塊質(zhì)量；Ｌｉ為測(cè)點(diǎn)與質(zhì)量塊的距離；ω為激振圖５?９試驗(yàn)結(jié)果圖５?１０沿展向撓度變化趨勢(shì)器頻率；ｙｉ為單元質(zhì)量塊的撓度；ｇ為重力加速度。由式（５?１０）可知，沿葉片展向的彎矩分布與葉片振型和添加的配重塊質(zhì)量有關(guān)。Δ 假設(shè)作動(dòng)器總質(zhì)量Δｍ，配重塊質(zhì)量與葉片的相應(yīng)單元質(zhì)量之和分別為Δｍ０、Δｍ１、Δｍｓ，如圖５?１１所示，在其共同作用下，沿葉片展向位置ｌ０（ｌ０＜Δｘ０）處的彎矩為Ｔｌ＝Δｍ（Ｌｉ－Ｌ０）（ω２ｙｉ＋ｇ）＋Δｍ０（Δｘ０－Ｌ０）（ω２ｙ０＋ｇ）＋…＋Δｍｓ（Δｘ０＋Δｘ１＋…＋Δｘｓ－Ｌ０）（ω２ｙｓ＋ｇ） （５?１１）同時(shí)，得到沿葉片展向彎矩的質(zhì)量單元矩陣如式（５?１２）所示。Δｍ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｍ＝

０?００ ０ ０００００Δｍ６０ ０ ００００００?０ ０００００００Δｍ＋Δｍｉ０００００００ ０?００００００ ０ ０Δｍ１９０

（５?１２）０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Δｍ２０可見，通過改變配重塊質(zhì)量Δｍｉ及位置Δｘｉ，即可重新調(diào)整葉片的彎矩分布如圖５?１２所示。圖５?１１質(zhì)量單元分布圖圖５?１２沿展向彎矩分布五、風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)１概述隨著風(fēng)電機(jī)組投運(yùn)規(guī)模的擴(kuò)大和運(yùn)行時(shí)間的增加，機(jī)組出現(xiàn)機(jī)械故障的情況趨于嚴(yán)重。通過監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱、發(fā)電機(jī)、主軸軸承等關(guān)鍵部件，對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行有效監(jiān)控，利于提高風(fēng)電機(jī)組的利用率，為實(shí)施計(jì)劃維護(hù)起到關(guān)鍵作用。隨著投運(yùn)的風(fēng)電場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)工作顯得越來越重要，通過風(fēng)電機(jī)組的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)施風(fēng)電場(chǎng)計(jì)劃維護(hù)、降低風(fēng)電場(chǎng)的設(shè)備故障率、提高設(shè)備的可靠性將起到非常關(guān)鍵的作用。圖５?１３統(tǒng)計(jì)了我國(guó)某風(fēng)電場(chǎng)相關(guān)風(fēng)電機(jī)組的故障情況。其中，發(fā)電機(jī)的變槳和變頻控制、電氣控制停機(jī)次數(shù)占６３％，發(fā)電機(jī)、主軸和齒輪箱的故障次數(shù)占１８％，但停機(jī)時(shí)間占到了６８７％。風(fēng)電機(jī)組的主要故障為變槳系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、逆變器、發(fā)電機(jī)以及齒輪箱，齒輪箱的損壞對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量和維護(hù)成本影響極大。如何保證齒輪箱、發(fā)電機(jī)等機(jī)械零部件的可靠性，做到預(yù)防性維護(hù)極為關(guān)鍵。圖５?１３各類型故障停機(jī)次數(shù)權(quán)重例如，變槳系統(tǒng)備用電源（蓄電池組）引起風(fēng)電機(jī)組２０％事故，事故表現(xiàn)為變槳系統(tǒng)失電后，由于備用電源失效，風(fēng)電機(jī)組未能實(shí)現(xiàn)順槳?jiǎng)幼?，?dǎo)致風(fēng)電機(jī)組超速，造成風(fēng)電機(jī)組發(fā)生倒塌并帶來巨大損失?？晒┎扇〉拇胧┌ǎ海保┘訌?qiáng)日常運(yùn)行管理，要求運(yùn)行人員對(duì)變槳系統(tǒng)電源故障報(bào)警采取正確處理措施，對(duì)變槳系統(tǒng)電源故障報(bào)警給予足夠重視，及時(shí)處理，杜絕采用屏蔽報(bào)警信號(hào)的辦法維持運(yùn)行。２）改進(jìn)的優(yōu)化蓄電池組性能檢測(cè)方法，不僅檢測(cè)蓄電池組端電壓，并進(jìn)一步優(yōu)化檢測(cè)方法，如增加電流、電容量等檢測(cè)指標(biāo)，同時(shí)，優(yōu)化控制系統(tǒng)和日常運(yùn)行維護(hù)程序。３）確保新裝蓄電池組性能良好，為避免保存時(shí)間過長(zhǎng)對(duì)蓄電池性能產(chǎn)生不利影響，在風(fēng)電機(jī)組總裝前檢測(cè)蓄電池組性能。４）完善備用電源系統(tǒng)監(jiān)控手段，增加獨(dú)立的備用電源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)裝置，保證能及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電回路故障。２風(fēng)電機(jī)組在線監(jiān)測(cè)（１）風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用為了提高風(fēng)電場(chǎng)的利潤(rùn)，必須延長(zhǎng)風(fēng)電機(jī)組年可發(fā)電時(shí)間、降低維修成本、提高維修效率、增強(qiáng)運(yùn)行安全性和避免非計(jì)劃停機(jī)。根據(jù)傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，通過使用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能增加風(fēng)電場(chǎng)的正常運(yùn)行時(shí)間，優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況、降低其維修費(fèi)用，提高風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行安全性。１）杜絕非計(jì)劃性軸承和齒輪的維修工作；２）協(xié)助制定維修計(jì)劃，在無風(fēng)或枯風(fēng)期安排維修；３）減少日?，F(xiàn)場(chǎng)巡視次數(shù)；４）降低加班費(fèi)用和生產(chǎn)損失；５）進(jìn)行基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的維修；６）杜絕二次損傷；７）延長(zhǎng)機(jī)器使用的壽命；８）減少備件數(shù)和降低損耗率。針對(duì)兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組，國(guó)外的風(fēng)電場(chǎng)陸續(xù)都安裝了狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。自２００２年以來，安聯(lián)大眾（ＡＬＬＩＡＮＺ）等德國(guó)保險(xiǎn)公司修改了保險(xiǎn)條款，將安裝經(jīng)過認(rèn)證的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為風(fēng)電場(chǎng)能夠投保的必要條件。德國(guó)各大風(fēng)電場(chǎng)都將狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)看作風(fēng)電場(chǎng)維修的重要組成部分，Ｖｅｓｔａｓ、ＲＥｐｏｗｅｒ、Ｓｕｚｌｏｎ等主要風(fēng)電設(shè)備制造商也將狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)看作自身設(shè)備的保障，出廠前就在其風(fēng)電設(shè)備上安裝了相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。隨著我國(guó)風(fēng)電設(shè)備保險(xiǎn)市場(chǎng)的成熟，狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用勢(shì)必成為必然，包括在線和離線振動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備等。（２）風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能以我國(guó)內(nèi)蒙古某風(fēng)電場(chǎng)為例，所采用的風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能如下：１）機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)顯示，分為并網(wǎng)運(yùn)行、等風(fēng)、停機(jī)、通信中斷、檢修掛牌五類；２）單臺(tái)機(jī)組起動(dòng)、停機(jī)、復(fù)位功能；３）整條風(fēng)電線風(fēng)電機(jī)組起動(dòng)、停機(jī)功能；４）單臺(tái)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制及功率控制功能；５）整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的有功功率控制及無功功率控制功能；６）風(fēng)電機(jī)組遙測(cè)量上下限越限報(bào)警；７）風(fēng)電機(jī)組故障報(bào)警統(tǒng)計(jì)，分為高、中、低級(jí)三類；８）風(fēng)電機(jī)組可利用率統(tǒng)計(jì)；９）風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量報(bào)表，分為１５ｍｉｎ報(bào)表、１ｈ報(bào)表、月報(bào)表、年報(bào)表；１０）風(fēng)電機(jī)組功率曲線計(jì)算及顯示；１１）實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線功能；１２）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及計(jì)算。（３）風(fēng)電場(chǎng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)的功能１）變電站電氣設(shè)備遙測(cè)量數(shù)據(jù)采集上傳、實(shí)時(shí)顯示；２）模擬量越限報(bào)警；３）變電站遙信量采集上傳、語音報(bào)警；４）電氣一次設(shè)備（開關(guān)、刀閘）遠(yuǎn)方遙控分合閘，以及五防閉鎖、操作票自動(dòng)生成功能；５）主變有載調(diào)壓，分接開關(guān)檔位調(diào)節(jié)功能；６）電能計(jì)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及報(bào)表計(jì)算功能；７）變電站遙測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)曲線、歷史曲線功能；８）數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及計(jì)算功能。（４）在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以圖５?１４所示某在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為例，其功能與特點(diǎn)如下。圖５?１４系統(tǒng)示意圖１）在線振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成。在風(fēng)電機(jī)組（主軸承座、齒輪箱、發(fā)電機(jī)）預(yù)先選定的位置共安裝８?jìng)€(gè)振動(dòng)加速度傳感器和１個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)，利用傳感器將采集的信號(hào)通過屏蔽電纜接入到１臺(tái)智能采集單元ｉＭＵ（ＩＭｘ?Ｗ），ｉＭＵ再將經(jīng)處理的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到事先裝有分析軟件ｐｔｉｔｕｄｅ的服務(wù)器這樣用戶就可以通過多種方式登錄服務(wù)器察看運(yùn)行數(shù)據(jù)，開展數(shù)據(jù)信息的深入分析工作。２）系統(tǒng)配置。一臺(tái)智能監(jiān)測(cè)單元ｉＭＵ（ｘ有個(gè)模擬通道、８?jìng)€(gè)數(shù)字通道個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)輸出）；一套分析軟件ｐｔｉｔｕｄｅｂｓｅｒｖｅｒ（無限制用戶）；一套ＷｉｎｄＣｏｎ的傳感器和電纜等附件，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用普通加速度傳感器５套［齒輪箱高速端（徑向３套）和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸承（徑向２套）］，風(fēng)力發(fā)電機(jī)專用低頻加速度傳感器３套（用于主軸軸承軸向和徑向各１套，齒輪箱低速端徑向套），一套轉(zhuǎn)速傳感器ＩＦＭＩＧ５５３３，用于獲取高速軸的轉(zhuǎn)速。３）系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)可用于監(jiān)測(cè)風(fēng)電機(jī)組的故障，包括動(dòng)平衡、對(duì)中、軸承和齒輪嚙合，以及軸彎曲、機(jī)械松動(dòng)、塔架振動(dòng)、葉片振動(dòng)、電氣和共振等故障。（５）ＩＭｘ?Ｐ在線監(jiān)