2013年10月16日下午，北京国际风能暨展览会——风电机组技术。上海电气风能有限公司塔架项目经理唐亮演讲：风电机组轴系扭矩振荡案例分析与研究。以下是全文：
唐亮：大家好，我们这个报告主要是针对非常具体的案例，我们怎么来分析处理的。在我们风电发展过程中，碰到过一个谣言就是风机振荡问题。我的介绍主要分三个方面，第一个是我们振动情况的大概介绍，以及我们分析其他振动的主要特征。第二作为振动来说，和结构特性和振动源两方面相关的，所以我们两个主要方向就是从这两方面进行着手处理的。最后就是我们的原因分析和最终的处理方案。当时我们在现场是这样的，当时他们观察到风机有一个非常明显的振动了，我们当时总结了一下，我作为初步的分析，这个振动具有四个方面的特征。
第一，这个振动在我们风场所有风机都发生了，而且发生的是非常普遍的。第二我们振动有方向性，而且非常明显。第三工况都是相似的工况，第四跟频率是不同步的。
这是我们当时做的风机振动的统计，当时已经安装的是9台机组，我们只列出了10天之内，我们统计出来振动情况，大概是最多的一天发生了20几次。这个是我们按照机组的情况，做的分别的统计，可以看出来，所有的机组在不同的时间都发生过这个问题。关于振动的方向性，我们当时目测观察的时候在机舱横向，振动强度大于前后方向，我们做了实际测试，这个是测试结果。很明显的看到，红色就是横向，蓝线就是前后发生的加速度的情况，这个就说明横向振动强度大于前后振动强度。
我们把发生振动情况的几个主要参数做了一个记录，我们可以看到，发生振动的时候，基本上功率还有风速和转速都在一个比较固定的范围。这个也是我们后续分析的重点，我们当时着重分析，为什么出现这种情况。第四个的话就是我们住里还注意到一个比较有趣的现象就是说，实际上在振动的时候，跟风轮的转速频率是有很大差别的。
因为我们一开始怀疑是因为我们机组的结构频率和风轮EP没有充分的间隔嘛，但是实际上后面我们发现的，刚才视频上是13秒振动4个周期，这样的话，我们振动频率是0.31赫兹。风轮在发生振动的时候是0.23，塔架基频是0.31。可以得出结论，风轮EP不是发生塔架振动的基地源，我们可以得到一个基本结论就是发生了共振情况。
这个振动发展是非常的迅速，当时我们目测的时候，10分钟之内，振动加速度的有效值从0直接到0.28，就是2.8米2次方秒。作为我们当时第一步分析的基础来说的话，振动的话，我们认为就是说，只是跟两个方面有关系，这两个方面也是我们分析的两个主要方向，第一个是我们振动的一个激励源，因为没有激励源肯定不能会发生振动的。第二个我们机组的整体结构特性。因为机组结构特性跟振动源，没有刚好匹配的话，可能会发生共振的问题。这里的话，就是说我们风机设计的时候，为什么塔架基批要避开EP。这两个共同决定振动的特性。我们当时确定这两个方向作为我们分析的重点。
首先我们从结构特性方面做了一个检查，这里写的比较简单，因为当时有很多人怀疑，是塔架或者机组设计原因，实际没有达到设计的要求。我们当时提出的方案就是给风机整体做一个频率测试。主要的原因是什么呢?我们可以从这个公式上可以看到，风机的质量是确定的，不太容易随着外界变化而变化，我们的频率跟总体刚度有关系，这个是很简化的式子，但是这个是很适用的。
我们当时就确定，如果频率满足我们的设计要求，就可以排除结构原因。右面是当时实测的结果，我们可以看出来，在0.317这个地方有一个尖峰，这个就是结构的自振频率就是0.317。但是我们设计频率是0.312，略高于我们的设计频率，这个就说明，最后塔架和机组的总体刚度是符合我们设计要求的。当时我们为了彻底排除这个原因，我们测量运行时候风机的频率情况。停机7台测下来，数据吻合性非常好，都是0.317，运行的时候，我们就测了一台，因为考虑机组安全性的影响，最后结果就是振动前后和振动当中并没有发生更多损失的情况。我们基本上可以排除是结构方面的问题。
接下来的话，我们要排查它的振动源，因为结构方面的问题排除之后就剩下振动源的问题了。振动源的问题，我们充分考虑了振动的特征。因为我们常见的振动源的话，一般最常见的是风轮不平衡，还有高竖轴，高频振动，电机或者齿轮箱弹性支撑破损，这跟我们观察的是不相符的。如果风轮不平衡的话，不会出现在我们特定的工况。这跟我们观察到的现象是完全不符的。如果是轴承和齿轮破损或者弹性支撑的问题也不太可能出现。它也不太可能是普遍性的问题。还有一个它的振幅应该不会达到我们所观测的这么明显的效果，当时观测的话，横向的振幅大概有2米，两边各一米，综合考虑下来，应该不会有这么大的影响。我们还是做了一些检查，检查的结果也符合我们的预期，这些都没有发现问题。
最后我我们考虑到，其实我们一开始考虑的方向，但是我们排除了，风轮控制的话，这跟我们观测到的特征是非常吻合的，如果控制出现问题的话，还有明显的方向性，这个都是可以预期的。这是当时我们从发生共振的情况下截取的数据，这是3号风机振动数据，红色的线是叶片变桨角度，最上面是风轮转速，这个是风机转矩。这个都没有达到满发，按照常规来说它不应该变桨，所以这是异常的现象，而且我们可以看到，这三个变量的话，基本上是同步变化的。
我们对这个东西做了一个滤波和副滤液变化的分析(音译)最后得出变桨较吨0.318赫兹，扭矩也是0.318赫兹。这是转矩，这三个吻合性是非常好的，这就是我们塔架发生振动的根本原因所在。
最后我们可以得出一个结论，因为控制出现了异常，导致我们风机没有达到额定风速之前，就已经发生频繁的变桨动作，造成风轮转矩波动。给我们整个机组有一个相当大的振动激励，也就是造成我们塔架振动的根本原因。这个也可以很好的解释，为什么横向的振幅要远大于前后的振幅，因为风轮是扭矩波动，不是前后的推力波动，所以最后我们以这个方向作为我们后续解决问题的一个出发点。
首先我们采取了第一个，我们调整了风机的控制参数，当然具体的控制参数的话，因为时间关系，我就不详细介绍了。但是我们可以看出来，这是调整参数以后的类似工况的运行数据，可以非常明显的看出来，变桨角度，已经恢复正常了，就不再变桨了，这个符合我们采用转矩表分析的运行工况的。当然这个地方还可以看到它的扭矩仍然是波动的，但是波动的话，这个时候是风机没有办法避免的一个情况。因为如果你采用的转矩表控制的话，风机的扭矩随着风速变化的话，肯定会发生波动的，但是这个出现问题的话，还会引起大量的问题。
这个是我们调整控制参数以后的运行数据，这头可以看到，这条蓝色的线，是我们振动加速度，这里头从60秒之后可以看到振动加速度，还是在不断上升的。叶片变桨角度的话，还是在波动的，这里头的话仍然有问题。
我们也做了一些分析，扭矩还是有异常的波动现象，但是具体的原因，其实跟原来的话，还是很相似的，调整这个参数，不能从根本上解决这个问题，因为采用这种控制方式的话，风机的扭矩信号肯定随着风速还是有相当大的波动的。所以我们最后采用了滤波器，就是在我们转速和扭矩信号下面加了一个振动滤波，我们可以看到蓝色的线，是没有采用这个东西之前的振幅，黄色的线是采用之后。我们这里可以比较明显的看出来，之前和之后的振幅比之前有明显的降低。我们给它做一个简单的频谱分析，滤波以后的频谱，虽然峰值基本上出现在0.317，但是峰值从32降到4.65，基本降低85%，这个效果还是非常明显的。
目前我们还在做其他方面的改进，对我们的查表控制的方法，我们可能至少在过渡区这一段的话，可能会采用全程PID控制，或者含扭矩控制，我们在某些特定的区域可能不再采用转矩表控制，当然这个我们正在做。因为刚才我们也说了，振动和振动源和结构特性两方面相关的。从结构特性来说，我们也在做阻力器的设计，虽然它不能解决振动源的问题，但是振动源有激励的话，我们可以把振动幅度大幅度减少，预计今年会装一台。最后谢谢大家。
主持人：我问你一个问题，你是单台机还是多台机?
唐亮：多台机组基本上都出现这个问题了。我们那台机组是第一次采用某一假供应商的部件，有一个部件的匹配问题。
主持人：第二个，当时的风速多少?
唐亮：发生振动的时候，当时的风速是12米左右，其他的风速没有振动。
主持人：我告诉你，我在仙人岛(音译)遇到一次，在某个风速下，整个机组振动，要等到那个风速达到那个值的时候，才测，要等到半夜才测，就是辽宁省因口仙人岛(音译)我提供这个案例给你参考。第二在山东龙城(音译)7台机组，所有的部件都是德国来的，惟一有塔架是当地造的。当地造的7台机组，有一台发生振动。
唐亮：最后查出是什么原因?
主持人：最后的原因就是塔架的制造质量。7台有1台振动，其他都一样。因为现在你调转矩，通过这个调的。
唐亮：我们这个风场情况可能不太一样，它是普遍的情况，其实我们在PPT里面没有说，其实是因为变流器的能力，跟我们转矩表匹配，还有主控有点问题，就是变流器的扭矩变化能力跟不上主控的要求，所以造成来回波动有点问题。塔架的问题还没有发现，当然我们都会查，但是现在我们更改的情况来看，应该没有再发生过类似的问题了，谢谢。
主持人：大家有问题没有?
提问：实际上我想提一个问题，我看到咱们这次演讲的标题，叫轴系，是不是你们振动之前在轴向上有比较明显的振动，我注意你讲的时候，提到了一个跟变桨系统相关，这块跟变桨系统的相关性?我们一般做的都是三叶片，是不是三叶片不兼容造成的?第二相关性，我们谈到的，实际上后发现的，实际上跟变流器的滤波这块相关?跟这块的相关性体现在什么?包括解决手段是在变流器加的，还是主控加的?
唐亮：首先回答你第一个问题。我们叫它轴系是这个原因，因为我们风机控制的最主要的手段就是给扭矩，所以引发振动的直接原因，肯定是因为异常变桨，但是具体到载荷上来说，就是变桨造成扭矩波动，这个是最直接的原因。我们做的滤波其实主要对转速信号做滤波。我们要把塔架的基频和其他相关的振动的频率要过滤掉。让转速信号发生波动之前都可以接受，但是不能发生共振。
提问：是不是跟固定的某一个风速段相关?
唐亮：对，其实在1500千瓦左右，风速是12米，转速是14RPM。
提问：现在解决办法是加滤波器，有没有想过快速躲过这段?
唐亮：损失发电量太大，经济上难以接受。
提问：好谢谢。
提问：第一个问题，我看PPT最后写的是设计阻尼器，这个是硬件还是软件?
唐亮：阻尼器是硬件，最早是在塔架加水箱，我们指的就是这个，因为这个跟控制是没有关系的，我们只是改变机组的结构特性，无论它什么原因发生的振动，在我们的基频附近都有很好的减振效果，这是一个被动的方法，但是从我们计算结果来看，效果还是可以的，国外的用也很多，在海上我们已经看到一些商场在用类似的产品了。
提问：成本大概有多少?每台都可以装吗?
唐亮：初步问下来，好像是15-20万一个。
提问：有没有想过从软件上加一些阻尼器之类的?
唐亮：软件是这样的，如果我们采用传统的转矩表控制的话，波动是不可避免的，只不过避开塔架的振动频率，所以我们采用对信号进行滤波，把频率的信号全都滤掉。虽然发生波动，只要不跟我们塔架发生共振的话，是不会有问题的。实际上从我们模拟的结果来看，效果还是非常好的。
提问：谢谢。
提问：我问一个问题，你们问题主要出现在短一点叶片的风机上，还是长叶片风机上出现的?
唐亮：其实是长一点的，因为这个地方长一点的话，为什么发生波动的话，有的时候主控要求的扭矩变化率太高，变频器跟不上了。太高的原因就是一般比较长的叶片，会比较多的出现这个问题。
提问：现在这么做了以后，有一些方案嘛，按这个方案做了以后，这个问题解决了吗?
唐亮：这个问题目前来说，我们现在还在观察，我们应用上去以后，基本上没有发生过类似的问题，所以我觉得应该可以说是解决了。阻尼器这个还没有加，是我们准备加的。
提问：不管什么方法，会不会对你风机的发电量有影响?
唐亮：滤波肯定是有影响的，调整共振参数肯定有影响。
提问：会降低一些。
唐亮：因为这个属于主动的方法，加阻尼器是被动的，跟风机本身，你可以认为跟它运行是毫无关系的，这个对发电没有任何影响。
提问：你们有没有评估过，大概降低多少发电量?
唐亮：这个只有简单的估算，具体降低多少，没有具体的数字，不管怎么说，这个对发电量的影响，起码调整控制参数这块来说，应该是比较小的。
提问：谢谢。
主持人：我觉得唐先生你们应该从不要治标，要治本。
唐亮：姚老师有什么建议?
主持人：没有问题就结束了。
