基于风机基础损伤前后的SCADA振动数据对比分析研究

黄 奇，刘哲锋，2，朱新革，刘宜松，雷雪雯

(1.长沙理工大学土木工程学院，湖南 长沙 410004；2.长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室，湖南 长沙 410004)

0 引 言

随着传统化石能源的日趋枯竭，能源供应安全与环境保护压力越来越大，风能作为一种清洁的、可再生的新能源保持着快速发展的趋势[1]。当前，国内内陆风机多数采用基础环形式，将圆形钢筒插入混凝土中的重力式基础。由于施工局限性及风场环境的恶劣性，大多数风机基础的安全性正日益受到关注。研究者们针对基础安全的监控与预测做了大量工作，如白雪[2]等通过设计一种在基础施工时安装振弦式应变计，对基础从养护到运行期间进行监测，对基础缺陷的出现和演化进行量化分析。秦淑芳等[3]通过在塔筒不同位置处布置钢板应变计，倾角仪等传感器，监控塔筒挠度变化，建立风机结构安全监控系统；这些研究在一定程度上可以有效监测风机基础的安全性。事实上，一个风场一般装有几十台风机，其中许多风机基础能正常服役，如果全部额外加装传感器，成本较大。

当前，风场风机一般都装有数据采集与监控系统(SCADA)，该系统可以监控并采集风机运行时各类状态参数，如风轮转速、风速、振动加速度、桨距角、有功功率等。该系统数据中蕴含了大量的信息，SCADA数据成为当前研究的热点。大量研究者主要的目光集中在用SCADA数据指示风电机组机械部件的安全状态[4- 6]，对于SCADA振动数据的研究也有很多，如任岩[7]等通过对筛选SCADA数据并通过相关性分析找到与机组振动有关的因素；戴巨川[8]等通过分析SCADA系统数据分析风速、转速、变桨距以及偏航等对振动的影响；这些研究主并未深入挖掘SCADA数据对整体塔筒结构及基础安全的反映，尤其是SCADA系统中的振动加速度数据对风机结构的反映。本文将在前人的研究基础上，针对某基础损伤风机现有SCADA数据，通过绘制风机基础出现损伤前后时间SCADA振动数据散点图对比其差异性，筛选维护停机状态下的加速度数据进行时频分析，总结了基础损伤对SCADA数据的变化规律，可在不加装监测装置的前提下初步预估风机基础的安全性，为风机基础的损伤预判提供参考。

1 风向分析及基础损伤现状

1.1 风向分析

本文所研究风机为湖南某风场P1号机，该风机为一台2 MW直驱型风力发电机，其中有一叶片2017年发现配重失衡未修，风机基本参数为：风轮直径95.9 m，机舱高度80 m，切入风速3 m/s，额定风速10.5 m/s，切出风速25 m/s。SCADA系统中采集的振动加速度方向有两个，x方向和y方向，见图1。机舱的振动是风机系统结构对外界激励的响应，激励主要来源于风载和风轮旋转时产生的运行荷载，且该风机具有自动偏航功能，以最大程度地捕捉风能。因此，进行主风向的分析十分必要。为方便说明，对基础平面进行分区编号，因须与SCADA系统中方向对应，以正北方向为起点顺时针均分为16个区，编号为1～16，见图3。因此根据统计学原理，剔除掉风速小于3 m/s时的风向值，对P1号风机2018年1月～11月SCADA系统采集的风向值进行统计分析如图2所示。从图可以看出，该时段内风向在第11、12、13区的风向频率为43.7%，为该风机盛行风向，如图3所示。

图1 风机结构

图2 风向分布频率

图3 基础分区

1.2 基础损伤描述

风机塔架结构属于高耸结构，根据相关研究[9-11]表明，基础环式风机基础的疲劳损伤主要经历以下几个过程：风机运行对基础产生巨大倾覆力矩和拉压力，使基础环与混凝土之间产生初始小裂缝；随着防水层的失效，雨水渗入使得初始小裂缝深入扩大，使风机塔筒产生晃动，基础环壁与混凝土反复研磨，出现冒浆现象；随着晃动加剧，基础环下法兰处混凝土出现空腔，基础表面混凝土冲压破碎。如不及时停机加固，此类风机在极端条件下极易发生倒塌事故。

2018年11月下旬，经检测发现，所有测区基础环防水层失效。塔筒内部沿基础环一周均有水泥浆冒出(见图4)；塔筒外部第4、11、12、13、14区表层混凝土冲压破碎，存在大量环向裂缝(见图5)。其中第4区破损区域距塔筒边缘最远处0.2 m，第11测区破损区域距塔筒边缘最远处0.7 m，第12区破损区域距塔筒边缘最远处1 m，第13、14区破损区域距塔筒边缘最远处0.6 m。根据现场检测情况及风向分析可知，风机基础的压溃破损区域主要集中在沿主风向方向上，在垂直主风向上基础混凝土破损较轻。

图4 塔筒内部冒浆

图5 塔筒外部混凝土压溃

图6 风速—风轮转速关系

2 振动加速度数据分析

根据叶素-动量(BEM)理论及相关文献研究表明[7- 8]，机舱振动主要与风速、风轮转速、桨距角等有关。风轮的驱动荷载来源于作用在叶片上的气流，气流运动的快慢用风速表示。风速一般是时变量，具有突变性，而风轮的转速由于惯性的作用不会突变，且当风速小于额定风速时，风轮转速与风速近似呈正相关关系(见图6)，所以风轮转速的大小可作为荷载大小的参照量。本节将研究风轮转速与振动加速之间的关系，选取P1号风机2018年两个不同时间段的数据，分别为损伤前(1月)，损伤期(10月)，经过数据的筛选，每个时期分别选取30 min数据作散点图分析(见图7～8)。为了更有效的说明问题，选取基础正常、叶片配重正常的风机P2同时期数据进行对比分析(见图9～10)。

图7 P1风机1月振动加速度

图8 P1风机10月振动加速度

图9 P2风机1月振动加速度

图10 P2风机10月振动加速度

由图7、8可以看出，P1风机损伤前后的风轮转速与振动加速度之间趋势关系基本一致，当转速在11～13 r/min时，x方向与y方向的振动加速度幅度差别不大，y方向振动略大于x方向振动。当转速在13～16 r/min时，y方向上的振动明显大于x方向的振动。对比图7、图8，1月(基础损伤前)x方向振动加速度幅度在-0.06～0.06 m/s2之间，y方向振动加速度幅度在-0.41～0.39 m/s2之间；而10月(基础损伤后)x方向振动加速度幅度在-0.2～0.21 m/s2之间，y方向振动加速度幅度在-0.5～0.5 m/s2之间。由上述数据分析可知，损伤后机舱振动x方向加速度幅度较基础损伤前变大约有3倍，y方向振动加速度变大了25%。

由图9、10可以看出，x方向振动明显强于y方向，当风轮转速在13～16 r/min时，1月x方向振动加速度幅度在0.19～0.2 m/s2之间，y方向振动加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之间；10月x方向振动加速度幅度在-0.21～0.21 m/s2之间，较1月数据略为变大；y方向振动加速度幅度在-0.11～0.11 m/s2之间。显然，P2风机前后时间的机舱振动加速度幅度变化不大。

通过上述分析，P1问题风机前后时间机舱的振动有明显差异，尤其是x方向；而P2正常风机前后时间的机舱振动加速度幅度变化不大。对应P1风机基础混凝土的损伤区域，这说明基础混凝土的损伤对机舱振动的大小有影响，且因为机舱振动加速度的大小与荷载有关，所以一般正常风机的x方向(即主风向上)的振动较y方向更为敏感，而当风轮叶片配重失衡时，风轮旋转而产生的离心力的作用效果更为明显，且离心力方向与旋转轴垂直向外，故P1风机y方向振动要明显大于x方向。

3 时频分析

风机塔筒结构可简化为单自由度结构体系。基础混凝土端可看作该结构的固定端约束，当基础混凝土发生冲压破碎后，该约束将变弱，从而整体结构刚度降低，使结构的抗振性能变弱[12-13]。为避免叶片挥舞振动、机械运转及噪声对振动数据的干扰，选取维护停机状态且风速大于切入风速时的SCADA振动数据分析，此时风力发电机组采取偏航90°背风，y方向为来风风向。此时将发电机组与塔筒结构看作整体，y方向机舱振动加速度可认为是塔筒自由端在风载激励下的振动响应。本节对P1风机1月、10月两个时期经筛选后的y方向加速度响应进行傅里叶变换，提取主频进行自适应最稀疏信号时频分解，从而识别其派生系统的固有圆频率ω。文献[14]、[15]介绍了该方法的具体过程，在此不详细赘述。

图11为P1风机1月振动加速度数据经傅里叶变换后的频谱图，图12为P1风机10月振动加速度经傅里叶变换后的频谱图，图13为P1风机1月振动加速度的瞬时频率图，图14为P1风机10月振动加速度的瞬时频率图。由图11、12得到经傅里叶变换后两个时期的一阶主频分别为0.342 Hz，0.340 Hz。对主频进行自适应最稀疏分析，将得到的瞬时频率经最小二乘法拟合，得到该结构1月该时段固

图11 P1风机1月加速度频谱

图12 P1风机10月加速度频谱

图13 P1风机1月瞬时频率

图14 P1风机10月瞬时频率

有圆频率为ω1=2.18 rad/s，10月该时段固有圆频率为ω10=2.119 rad/s，损伤前后该风机的固有圆频率差异比为2.75%。加速度的采集频率为1 Hz，采集频率较低，但该方法有严格的数学基础，故可作为预判风机基础损伤的一个参考。

4 结论与建议

(1)风机基础的破坏是在疲劳往复荷载作用下的一个长期累积效果，且发生破坏区域主要集中在主风向区域。风机基础损伤前后时期的振动加速度数据有明显差异，x、y两个方向的振动幅度均会变大，尤其是x方向的振动变化更为明显。P1风机基础损伤严重，已不具备保障该风机的正常运行的条件，建议及时聘请具有相应资质的设计单位通过计算分析出具加固方案，由具有相应资质的施工单位进行加固施工。

(2)叶片配重的失衡使风轮旋转产生的离心力效果明显，将会使y方向的振动加剧。应及时修复或更换P1风机配重失衡叶片，以避免y方向的过大振动，加剧基础的劣化。

(3)维护停机状态下，基础损伤后风机SCADA加速度数据经时频分析后得到的固有圆频率有所降低，降低幅度为2.75%。

(4)风场运维部门可通过分析长时期的SCADA振动数据对风机基础的损伤进行预判，筛选出基础结构相对劣化的风机，安装监测设备，及早地发现并处理基础存在的安全隐患。