基于带阻滤波器的风电机组塔架振动控制研究与应用

姚森，杨柳青

(1.东方电气风电有限公司，四川 德阳，618000； 2.东方电气自动控制工程有限公司，四川 德阳，618000)

0 引言

塔架振动问题一直是风电机组频发的振动故障之一。塔架振动过大严重危害机组的寿命和运行安全，进而影响机组的有效发电量和可利用率。所以，减少风机塔架振动具有重要意义。塔架顶部的横向振动一般由传动链扭矩的反作用或者外界激励引起[1]，属于风轮与塔架耦合振动的一类振动问题。风轮转速引起塔架振动主要有2个频率：（1）风轮旋转频率，即1 P，此激励主要是由于叶片不平衡导致；（2）风轮旋转频率乘以叶片数目倍数，如3 P，6 P等，主要是气动力不平衡所致[2]。风轮与塔架耦合振动分析可以采用坎贝尔图进行辅助分析，通过坎贝尔图观察各模态频率在风轮变速运行范围内，是否和1 P、3 P、6 P等包络线相交来进行判断。本文从分析带阻滤波器频率特性入手，并结合风机共振坎贝尔图，提出了在风机扭矩-转速控制和变桨-转速控制中，合理地使用带阻滤波器对风机转速频谱特定频率点处进行陷波处理，可以实现抑制风机塔架振动的方法。

1 带阻滤波器的频率特性

带阻滤波器是能通过大多数频率分量，但某些范围的频率分量被衰减到极低水平的滤波器。其中陷波滤波器（notch filter）是一种特殊的带阻滤波器，它的阻带范围极小，有着很高的Q值（quality factor）。

一个通用的二阶滤波器连续传递函数形式如式（1）所示：

当 ω1＝ω2＝ω， 且 ζ1＜ζ2时， 为二阶带阻滤波器，可以滤除特定频率ω。阻尼系数ζ表明了这个带阻滤波器的宽度或强度。它应该调整直至在特定频率上出现明显的滤波效果为止，并且不应在较低频率上对系统产生过大的影响[3]。

下面对该二阶滤波器作频率特性分析，取ω1=ω2=2.915 rad/s， ζ1=0.01，ζ2=0.1.该陷波滤波器对数频率特性（伯德图）如图1所示。

图1 陷波滤波器伯德图

由经典自动控制理论知识可知，二阶振荡环节在转折频率ωT处的对数幅频特性的幅值为[4]：

因此，传递函数具有式（1）形式的陷波滤波器在转折频率ωT处的对数幅频特性的幅值为：

由式（3）可知，式（1）所示陷波滤波器的深度由阻尼系数 ζ1与 ζ2的比值决定， 将本例 ζ1＝0.01， ζ2＝0.1 的值代入式（3）得， L（ω＝ωT=2.91）＝-20 dB。对比图1所示ω＝2.915 rad/s处对数幅频特性，二者幅值相等，因而验证了陷波滤波器的幅值滤波性能。实际使用过程中，可通过对阻尼比ζ1与ζ2进行调节，来决定期望频率处的幅值陷波深度。

2 风电机组坎贝尔图分析

Bladed是一个用于风力发电机组性能和载荷计算的集成化的软件包，是Garrad Hassan公司编制的机组性能和载荷计算、评估的软件，可以用于机组的测试、认证等环节。其所采用的模型和理论方法已得到多家公司的机组设计数据和实测数据的比对验证，是风电机组设计和载荷验证的可靠工具。

在使用Bladed软件对机组模型完成仿真搭建后，通过对风力机的模态分析参数进行设定，可得风机运行风况下各耦合模态频率。某风力机稳态风速10.5 m/s风况下各个耦合模态的自然频率值和阻尼系数如表1所示。其中，自然频率值的计算以P为单位，此处将风轮旋转一周的频率定义为1 P。

表1 风力机耦合频率示例（稳定风速10.5 m/s）

续表1

在Bladed软件中可运行计算生成风电机组风轮转速坎贝尔图，用以表征风机各个耦合模态频率。某1.5 MW 77型风力发电机组风轮坎贝尔图如图2所示。

图2 某1.5 MW 77型风电机组坎贝尔图

如图2所示，机组塔架一阶左右模态，频率为0.460 9 Hz，在风轮转速13.8 r/min时，与2 P斜线有交点。塔架二阶左右模态在17 r/min时与15 P模态有交点。传动链频率为1.817 Hz，在12 r/min时与9 P频率有交点，风轮面内三阶模态，频率为3.757 Hz，在15 r/min时与15 P有交点。

为防止风轮与塔架耦合所产生的振动问题的影响，在机组部件设计过程中就要避开3 P，6 P，9 P，12 P等3 P的整数倍的振动频率。如果在风力发电机组运行全风速段范围内，出现了与3 P整数倍频率相交的耦合频率，就要看其相应的阻尼比，阻尼比越小就越容易引起共振[5]。这是设计中需要考虑的问题，如果不可避免，就要求控制系统进行相应调整，使机组运行转速避开共振区。

3 带阻滤波器在风机塔架振动控制中的应用

变速风力发电机组扭矩-转速控制器和变桨-转速控制器都使用发电机测量转速作为主要反馈输入，通过稳定转速来实现风能的吸收与电能的输出控制。当发电机转速反馈进入控制器前使之经过滤波器滤波，不仅能够增强控制系统在特定频率域的功能，并且能够防止转矩和桨距角在不期望的频率处动作，如叶片穿越频率。如图3所示扭矩-转速控制环反馈通道加入滤波器结构图。

图3 扭矩-转速控制环反馈通道加入滤波器结构图

在风机塔架横向振动问题处理中，因为塔架横向振动主要与主轴转速及传动链转矩有关，如在扭矩-转速控制环和变桨-转速控制环对发电机转速信号加以主要影响塔架横向振动的塔架一阶模态频率，3 P及6 P频率处陷波滤波器，可有效抑制塔架的横向振动问题。下面以某风场实际运行风机振动故障解决情况为例进一步分析。

某在运行风场，1.5 MW 77型风机经常在10～12 m/s风速运行区间报出塔架横向振动超限故障，通过对故障数据中转速及桨距角频谱分析来看，塔架一阶模态频率峰值很高，如图4、图5所示。

图4 某77型风机塔架横向振动故障时转速频谱图

图5 某77型风机塔架横向振动故障时桨距角频谱图

对扭矩-转速控制环发电机转速反馈回路串联加入塔架一阶模态频率陷波器，3 P频率陷波器及6 P频率陷波器。3个带阻滤波器参数信息如表2所示。

表2 加入带阻滤波器参数信息

在加入3个带阻滤波器后，扭矩-转速开环伯德图如图6所示，在塔架一阶模态，3 P及6 P频率处，对数频率特性幅值均有了明显的陷波作用，同时保证了系统稳定域量仍然满足设计要求。

图6 加入带阻滤波器后扭矩-转速伯德图

在相同运行风速工况下，控制算法中扭矩-转速控制环加入带阻滤波器后，对风机实际运行转速及桨距角频谱进行对比分析，发现塔架一阶振动模态频率处幅值有了明显衰减抑制效果，且在风机实际运行时发现大幅度减小了塔筒的横向振动加速度值，如图7、图8所示。

图7 扭矩-转速控制环加入带阻滤波器后运行转速频谱图

图8 扭矩-转速控制环加入带阻滤波器后运行桨距角频谱图

4 结语

本文主要研究探讨了通过在风机控制算法转速反馈控制中串联使用带阻滤波器，可以有效解决风力发电机组经常报出的一类塔架振动问题的方法。先是从通用型带阻滤波器伯德图入手，系统分析了陷波滤波器的频率特性，验证了通过调节滤波器中阻尼比系数的值来实现对特定频率处幅值陷波深度的控制。然后结合Bladed软件生成风力机的坎布尔图分析介绍了风机叶轮旋转频率及其倍频与机组固有频率相互耦合的影响。最后以某风场在运行1.5 MW 77型风电机组塔架振动故障处理情况为例，通过对比算法扭矩-转速控制环反馈通道中加入塔架一阶模态频率，3 P及6 P陷波滤波器前后，对风机运行转速及桨距角频谱进行分析，详细阐述了串联带阻滤波器后对塔架一阶模态频率处的陷波作用，并通过风场实际运行情况来看，取得了较好的振动抑制效果，对于风机塔架振动问题处理具有实际参考意义。