风力发电机塔筒晃动位移监测新方法

王 华，孟 欢，李 萍

（上海港湾工程质量检测有限公司，上海 201315）

大型高耸建筑物的晃动位移测量方法总体可归纳为以下几种方法：GPS(Global Positioning System)/北斗卫星测量法[1]、激光测量法[2]、倾角测量法[3]、视频技术测量法[4]、低频振动位移传感器测量法[5]。这些测量方法都存在较明显的缺陷。GPS/北斗卫星测量法的测量精度通常只有厘米级别、需要几公里范围内有静态的基准参考点，不适合用于远离海岸线几十公里的海上风机塔上。激光测量法虽然精度可达到毫米级别，但是需要在被测对象附近找到静态的设备安装点、并且受天气影响较大，也不适合用于海上风机塔的晃动位移的测量。倾角测量法是一种间接测量方法，在高耸建筑物的多个高程布置一定数量的监测点，然后通过数字积分模型得到位移曲线。倾角测量法安装方便、不需要静态参考点，但是由于倾角仪同时能感应到结构的水平向振动加速度信号，需要对其输出信号进行低通滤波（通常滤波截止频率要低于结构的1 阶固有频率值）后，方可使用，进而导致其无法测量结构的较高频率水平向振动位移。因此，倾角测量法得到的位移为高耸建筑物的1阶固有频率以下的超低频率位移。视频技术测量法主要是通过高性能的摄像头快速抓拍建筑物，然后通过图像处理后得到建筑物的晃动位移。此方法适合用于实验室的建筑物模型实验，或者大型建筑物顶部附近有静态参考点的场景。低频振动位移传感器不需要静态参考点，使用非常方便，但是由于其下限频率无法达到0，只能感应到其有效频带范围内的各种周期性振动位移信号，不能得到大型高耸建筑物的非周期信振动位移信号和传感器有效频带范围外的周期性振动位移信号。

基于现有大型高耸建筑物的晃动位移测量方法都存在明显的缺陷，晃动位移特性对于此类结构物动力响应的研究又极其重要[6–10]。本文提出了一种可用于海上风机塔晃动位移自动化监测的新方法：把倾角测量法和低频振动位移传感器测量法融合到一套同步采集系统，设计了一种信号拟合叠加数字模型，把两种测量方法的两条位移时程曲线同步叠加成一条位移时程曲线，精确得到海上风机塔的晃动位移时程曲线。本方法弥补了倾角测量法、低频振动位移传感器测量法的缺陷。模型实验和实测信号分析结果表明此方法可得到0.1 毫米级别的晃动位移分辨率、可感应到0～10 Hz的晃动位移信号。

1 测量设备和原理介绍

本方法由2个高精度的双向动态倾角仪、1台高精度的多参数输出传感器、1台8通道的高精度动态数据采集仪构成。其中多参量输出传感器含双向动态倾斜度信号输出、双向低频振动位移信号输出，传感器布置位置情况如表1所示。

表1 新方法的传感器布置情况

双向动态倾角仪为河北振创电子科技有限公司生产的QYG01-1 型动态倾角仪，其动态分辨率为0.001 度，低通滤波后的有效频带为0～0.1 Hz，量程为10度，模拟量信号输出。多参量输出传感器为河北振创电子科技有限公司生产的QZDC-A 型传感器，可同步输出双向动态倾斜度信号、双向振动位移信号，其中动态倾斜信号的性能与QYG01-1型动态倾角仪一致，其低频振动位移信号的分辨率为0.1 mm，有效频带为0.1 Hz～10 Hz，量程为2 m，模拟量信号输出。高精度动态数据采集仪为河北振创电子科技有限公司生产的G01NET-3F型数据采集仪，其A/D位数为24位，8通道同步输入，RJ45网口数据传输。系统配套河北振创的G01NETFDC风机基础和塔筒安全监测软件使用，可实现信号的自动化采集与在线分析。

海上风机塔可简化为1个竖立的悬臂梁。由于风机塔的主要外部作用力为低频率的风荷载、潮流荷载、叶片等效作用力荷载[11–13]，且其1 阶固有频率介于0.15 Hz～0.4 Hz[14]，所以其晃动位移信号的频率成分主要集中在0～5 Hz 范围内，可把海上风机塔的晃动位移信号分为0～0.1 Hz 和0.1 Hz～5 Hz两个频带段。0～0.1 Hz 频带段的晃动位移信号通过倾角法测量；0.1 Hz～5 Hz 频带段的晃动位移信号通过低频振动位移传感器测量。

基于3个点的倾斜度计算塔筒顶部的位移的步骤可分为以下3个步骤：

第1步：基于某个时刻的3个点的倾斜值进行塔筒斜率曲线拟合。

假设f(x)为塔筒各位置的斜率曲线函数，且定义此函数为二次函数：

然后基于三个测点的实测斜率值对此函数进行最小二次方程求解得到其3个常量的值。

第2 步：对斜率曲线函数进行积分得到塔筒顶部的位移值。

假设塔筒高H米，其位移为S1，则：

第3步：不断循环重复以上两步，得到某时间段的塔筒顶部位移数组：

N为此时间段采集到的数据长度。

假设这段时间振动位移传感器输出的振动位移数组为：

由于倾角仪和振动位移传感器是由同1台采集仪同步采集到的，因此，两个数组里相同位置的数子是同一时刻采集仪到。则这时间段的塔筒顶部晃动位移数组为：

基于以上方法可求得塔筒顶部在主风向、垂直主风向两个方向的晃动位移时程曲线。

2 基于模型实验验证

风力发电机塔筒为高耸结构建筑物，高度可达100 m，上部直径为2 m～4 m左右，底端通过打桩或者浇筑混凝土固定，顶部可自由晃动，为典型的悬臂梁结构，所以本文使用悬臂梁结构对塔筒的晃动位移量进行模拟实验，选取的梁结构尺寸接近于塔筒按比例缩小的模型。具体实验过程如下。

把1 根长为5 m、宽0.2 m、高0.1 m 的工字梁的一端固定在一个水泥墩上，另外一头悬空，在工字梁固定端和中间位置分别布置一个单向的QYG01-1倾角仪，在悬空端布置一个带竖向位移和单向倾角输出的QZDC-A 型多参量传感器，及1 个拉线式位移计。实验方法布置示意图如图1所示。工字梁的截面尺寸和使用的倾角传感器如图2所示。

图1 实验方法示意图

图2 校准实验照片

荷载加载情况和测量结果如表2所示。

由表2可见：倾角-振动位移计合成法相比纯倾角仪法，得到的最大绝对位移值更准确。当荷载为静态加载时，倾角仪法、拉杆式位移计法、倾角-振动位移计合成法测试结果都非常接近；当荷载为动态加载时，如以拉杆式位移计法为参考，则倾角-振动位移计合成法的测试结果误差分别为-1.9 %、0.8%，而倾角仪法的测试结果误差分别为-17.1%、-28.9%。实验结果表明倾角仪-振动位移计合成法的测试结果精度较高，可达到至少毫米级的精度，改善了倾角仪法测量动态加载荷载的误差较大的情况。因此，把振动位移计的测量时程波形同步合成到倾角仪法的时程波形，可明显提高倾角仪法测量动态位移时的精度。

表2 实验测量结果统计

本实验模型测量原理简单，计算过程干扰因素较少而且与被测量对象的结构无关，不会因为结构物不同而导致测量精度改变，可能会因为测量使用的仪器精度不同导致监测系统精度有所变化。

3 单桩基础风机晃动位移实测数据分析

本文使用此方法对江苏大丰县的某个总装机容量200 MW 海上风电场的2 座单桩基础结构的风机塔开展了晃动位移的自动化监测。这两座风机基础为同类型的单桩基础桩，打入淤泥35 m～50 m；基础桩露出水面9 m～12 m；塔筒为3 节塔筒结构，基础桩到塔顶高为97 m。机组为上海电气的4 MW风机。机组图片如图3所示。

图3 单桩基础风机

典型的台风风速曲线如图4所示。绘制此时机组在台风作用下的典型晃动位移时程图如图5所示。

图4 台风期间的典型风速时程图

图5 37#机组台风作用下的典型晃动位移时程图

为了更加全面地研究风力发电机的晃动位移情况，分偏航、台风、工作状态、和停机状态4种工况进行晃动位移测试，偏航工况是指手动偏航360°的情况，台风工况是指舜时风速介于30 m/s～45 m/s 的停机情况，工作状态是指叶片转动，瞬时风速介于10 m/s～15 m/s之间的情况，停机状态是指瞬时风速介于5 m/s～8 m/s，发电机未发电的情况。统计风机塔在各种典型工况下的顶部晃动位移峰值如表3和表4所示。

表3 47#风机各典型工况下的晃动位移最大峰值

表4 58#风机各典型工况下的晃动位移最大峰值

由图5和图6可见：此类4 MW风力发电机塔筒顶部在台风期间的晃动位移幅度较大，其频谱在0.003 Hz、0.045 Hz、0.33 Hz 处比较突出。台风发生时，风机一般做停机处理，0.33 Hz与塔筒1阶固有频率很接近，0.045 Hz 和0.003 Hz 可能与风速变化速率相关，所以台风作用下风机塔筒主要振动为受迫振动和1阶固有频率的振动。

图6 37#机组台风作用下的典型晃动位移频谱图

由表3和表4可见：塔筒顶部在偏航状态下的晃动位移最大峰值比正常运转下的晃动位移最大峰值大2～3 倍，其中#47 号风机塔顶的位移值达到了687.2 mm。两座风机塔在同样的手工偏航360°的情况下，塔顶主峰向的最大晃动位移峰值分别为687.2 mm、469.4 mm差较大。这可能是#47号风机的偏航卡钳老化较严重而导致其与齿轮的冲击力较大，进而引起塔筒剧烈晃动。两座风机在台风作用下的最大晃动位移峰值分别为1 393.6 mm、968.0 mm，超过了其高程的1/100 的弯曲幅度。以上分析表明此类型风机塔在台风期间、对风向偏航期间的晃动幅度都较大，应引起重视。

4 结语

本文分析了常见方法测量高耸建筑物晃动位移的不足之处，然后提出倾角仪法、低频振动位移法同步采集和同步合成的新的测量方法。实验结果表明倾角仪法-振动位移计法在动态荷载工况下的测量结果与拉杆式位移计测量结果比较，误差小于2%，可达到至少毫米级的精度。

同时本文在两台4 MW风力发电机上进行了晃动位移实测，测试结果可以有效分析塔顶晃动的位移幅度和频谱特性，发现台风或偏航作用下塔筒顶部的晃动位移幅度较大，台风作用下晃动位移超过了机组高程的1/100，偏航作用下风机的晃动位移接近正常运行时的两倍，这两种工况机组的安全状况都值得进一步的研究；机组在台风作用下振动除了集中在1 阶固有频率处外还集中在0.003 Hz 和0.045 Hz的频率点，可能是因为风速、海浪等作用下导致的受迫振动频率。

本文的研究提出了风力发电机晃动位移的测量的新方法，提高了晃动位移测量的精度，同时实测了两台风力发电机，丰富了海上风机塔筒晃动位移的研究资料。