柔塔式風電機組二階阻尼比現場測量研究

王瀟 潘特 錢赫

摘 要：阻尼比是風電機組振動分析計算的重要輸入量，其準確度會對風電機組振動分析結果造成影響。本文基于半功率帶寬法開展柔塔式風電機組二階阻尼比現場測量，并選取合理的窗口長度，提高柔塔式風電機組二階阻尼比的準確度。由于現場測試樣本數有限，故按照t分布方法對阻尼比處理，置信水平選取95%，經統計分析可得：柔塔式風電機組二階阻尼比置信區間為[0.440%， 0.624%]，并依據置信下限的阻尼比結果開展后續的振動分析計算。研究結果可為同類工程問題提供參考依據和應用指導。

關鍵詞：柔塔式風電機組;二階阻尼比;半功率帶寬法;t分布;置信區間

中圖分類號：TK83? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

近年來陸上風電的發展趨勢從高風速區向低風速區轉變，柔塔式風電機組被大量采用，隨之而來的振動問題層出不窮。阻尼比是此類風電機組振動分析計算重要的輸入量，它的準確度將直接影響振動分析的計算結果，因此準確的阻尼比對風電機組的載荷計算和成本控制有著重大的意義。應懷樵等[1]提出一種INV阻尼計法，通過頻率細化提高阻尼比計算精度。蔡繼峰等[2]利用實測數據為仿真計算選取合適的阻尼比。郝二通等[3]通過有限元分析方法計算風電機組混合塔架一階阻尼比，并驗證了該方法的正確性。目前，大部分研究都集中于阻尼比計算方法的改進和創新，無具體的柔塔式風電機組的工程測試和計算案例。

本文基于半功率帶寬法，在140米柔塔上開展二階阻尼比測試，通過選取合適的窗口長度，提高阻尼比計算的準確度;同時，由于現場測試的樣本數有限，利用t分布方法，計算置信水平為95%時柔塔式風電機組二階阻尼比的置信區間，并以置信下限的阻尼比結果作為后續振動分析計算的輸入量。

1 理論基礎

1.1 自由衰減法

單自由度系統的位移自由衰減曲線如圖1所示，每隔半個周期的幅值比為一常量，即為衰減系數，其對數衰減率可表示：

其中，是阻尼比。

自由衰減法適用于風電機組塔架的一階阻尼比測試。

1.2 半功率帶寬法

半功率帶寬法是通過對結構振動響應的頻譜曲線或功率譜曲線進行分析計算阻尼比。當頻譜曲線中幅值下降到共振峰值Hm的時，其對應的頻率為f1和f2;此時在功率譜曲線中，f1和f2處的功率剛好是最大功率的一半，所以稱為半功率帶寬法，其阻尼比計算公式如下：

本文是基于半功率帶寬法開展風電機組二階阻尼比的現場測試工作。

2 現場測試

2.1 風電機組參數

本次測試是在某風場140米柔塔式風電機組上開展，該機組的主要參數：1）機組型為WD147-2500-H140;2）塔架高度為140米;3）葉輪高度為147米;4）二階固有頻率為1.16Hz。

2.2 傳感器參數

現場測試時使用加速度傳感器，其具體參數如下：測量范圍小于20m/s2、參考靈敏度為10.47mv/g、頻率范圍為0-150Hz、激勵電壓8-16Vdc。

本次測試搭配加速度傳感器使用的是東華測試公司的DH5902型數據采集系統。

2.3 現場測試情況

依據仿真計算結果，在第四節塔筒頂端的阻尼器安裝平臺布置加速度傳感器開展二階阻尼測試。通過數螺栓個數的方法保證兩個加速度傳感器的安裝方向盡量垂直。這里選用兩個傳感器是為了更好地捕捉風向變化造成的二階振動信號的變化。

測試現場具體的安裝位置如圖1所示，其中1號測點的位置正對爬梯，2號測點在其右側90°方向。

3 阻尼比計算與分析

3.1 中心頻率判定

通過對現場測試信號進行頻域分析，傳感器1的中心頻率為1.154Hz，傳感器2的中心頻率為1.203Hz，由2.1節可知，二階固有頻率為1.16Hz，故選擇傳感器1的信號開展功率譜計算。其他加速度信號判定使用相同方法。

在加速度信號中心頻率處開展帶通濾波處理，設計帶寬為0.22Hz。

3.2 窗口長度選取

對濾波后時域信號進行功率譜計算，選用漢寧窗，重疊率50，但是研究發現窗口的長度對信號處理結果有較大影響。

實測二階頻率為1.154Hz，因此窗口長度取周期的整數倍，即0.866s的整數倍，由于采樣頻率200Hz，因此窗口長度取173的整數倍。這里選擇1-200倍，得到二階頻率和阻尼比隨倍數變化的趨勢，如圖2所示。

當窗口倍數大于100倍，二階頻率和阻尼比都趨于平穩，所以合適的窗口長度對阻尼比計算準確度至關重要。其他加速度信號均采用相同方法選取合適窗口長度。

3.3 阻尼比計算

依據上面的流程對測量數據進行阻尼比計算分析，得到如下結果。

3.4 t分布統計

根據相關文獻，阻尼比通常符合對數正態分布，又現場測試樣本較小，故按照t分布方法處理。

通過對表2中的數據進行處理，得到置信水平為95%，阻尼比置信區間為[0.440%， 0.624%]，并選取置信下限的阻尼比結果開展后續振動分析計算。

4 結論

依據上面對某風場柔塔式風電機組二階阻尼比現場測量研究，可以得到以下結論。

（1）現場實際測量時需布置兩個垂直方向的加速度傳感器，以應對風向變化造成的二階激勵方向的變化;并可依據仿真設計的二階固有頻率選擇使用哪一測點信號作為最終分析信號。

（2）在功率譜計算過程中，窗口長度的選擇對阻尼比計算精度的影響較大，需通過不同倍數窗口長度的計算研究，決定最終合適的窗口長度。

（3）由于現場測試樣本有限，故現場阻尼比需通過t分布處理，得相應置信水平下得置信區間，并以置信下限作為后續振動分析的輸入量。

參考文獻：

[1] 應懷樵，劉進明，沈松. 半功率帶寬法與INV阻尼計法求阻尼比的研究[J].噪聲與振動控制，2006（02）：4-6.

[2] 蔡繼峰，王丹丹，符鵬程，等. 風電機組仿真塔架阻尼比的選取研究[J].風能，2013（11）：119-120.

[3] 郝二通，李祎，胡玉龍. 風電機組混合塔架結構阻尼比的研究[J].可再生能源，2018，036（011）：1704-1710.

作者簡介：王瀟（1987-），男，江蘇省泰興人，碩士，主要研究方向：風電機組聲學與振動分析研究。