基于多源数据的海上风机结构响应特征分析

孟安康， 于倩祥， 周 胡， 迟书凯， 黎 明

(1. 中国海洋大学 工程学院， 山东 青岛 266100；2. 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 新能源工程院， 浙江 杭州 311122)

0 引 言

在海上风机结构监测的发展过程中，受限于技术设备、现场条件和数据资源共享等原因，传统的结构监测大多只采集塔筒振动加速度[1-2]、位移[3-4]、应变[5]或者倾角等参数中的一种或几种，数据来源单一。在监测过程中风机大多处于停机状态，环境激励响应能量较弱。蔡鸥等[3]基于海上风机停机状态下塔筒的实测位移响应数据，采用特征实现算法对其进行模态参数分析。也有学者采用靠船、发电机启停制动等方式获取大能量激励响应。周琳等[1]基于无线加速度传感器，分别测试单桩基础结构和整机状态下的海上风机在停机状态下和受到靠船撞击时的加速度响应，验证弱模态识别算法对于风电结构运行模态分析的有效性。DAMGAARD等[2]和VERSTEIJLEN等[6]进行大量的停机制动测试，根据塔筒顶部的加速度响应数据评估风机的模态参数，着重分析影响风机结构阻尼的相关因素。然而基于单一数据来源和简单工况的结构监测往往只能进行结构模态辨识相关工作，无法进一步分析外部因素对结构状态的影响。

随着监测技术的提升和现场条件的不断改善，海上风电结构监测逐渐向数字化和精细化方向发展，长期多源实时的监测方式逐渐被采用和实施。监测数据来源由单一停机状态下结构响应数据扩展至多工况状态下多源信息，包括环境、工况和结构响应数据。FRITZEN等[7]提出海上风机结构健康监测系统框架，针对风机运行期间工况划分、传感器异常诊断等问题进行研究。WEIJTJENS 等[8-11]自2011年起在多台海上风机上部署结构监测系统，并进行长期监测系统开发、自动模态追踪识别等多个方面的研究。HU等[12-13]对1台5 MW陆上风机进行持续2年的监测，分析振动响应与风速、温度、变桨、偏航等环境工况因素的关系，并提出基于主成分分析的结构监测数据归一化方法，剔除环境和工况变化对结构动力响应的影响，进而分析风机结构自身状态的改变在结构响应中的体现。董霄峰等[14]基于海上风电试验样机，分析风机顶部和底部在不同工况下的结构响应时频域特征。MARTINEZ-LUENGO等[15]对海上风电结构健康监测发展历史和现状进行归纳，详细介绍风电结构监测系统组成，并对海上风电结构监测的不足和发展方向进行展望。综上所述，海上风电机组运行环境复杂，风机结构受海洋环境及工况的影响呈现不同的动态响应，在分析评估结构状态时应充分考虑外部因素带来的影响。基于长期的多源信息监测更适应今后海上风电结构健康监测的需求和趋势，通过多源数据之间的信息关联特征，能够获得更精细和准确的结构状态信息。因此，有必要进行海上风机长期多源信息监测，分析环境和工况对风机响应特征的影响，总结海上风机服役过程中结构状态的变化规律。

本文对中国江苏某海域4 MW单桩式海上风机进行长期监测，监测内容包括结构响应数据(加速度与倾角)，机组运行数据(发电机转速、偏航、变桨)和环境数据(风速)。基于长期监测的多源数据，详细分析风机结构响应特征与工况、环境间的相关性。

1 现场监测概况

以1台处于服役初期的4 MW单桩式海上风机为典型样本。在风机塔筒内部扭缆层、马鞍层、第2平台、第1平台和基础法兰层等不同高度部署三轴加速度传感器，并在塔筒顶部的扭缆层和底部的基础法兰层安装两轴倾角传感器，如图1所示。所有传感器位于同一垂直平面，以磁吸式部署方式紧贴风机内壁。同时，风机监视控制与数据采集(Supervisory Control and Data Acquisition，SCADA)系统包含大量能准确描述机组运行状态和现场环境的数据，选取发电机转速、桨距角、偏航、风速等4类数据接入监测系统，进行多源数据同步采集。

单位：m图1 传感器安装示例

2 运行工况划分及数据预处理

海上风机随风速改变呈现不同的运行状态，发电机转速及桨距角与风速的相关分布分别如图2和图3所示。以发电机转速和桨距角为依据，按表 1所示参数将风机运行过程划分为停机状态、启停机过程、低转速运行、变转速过程和额定转速运行等5类工况。图4对一段典型的海上风机监测数据进行工况划分。由图4可知：在停机状态下，风机发电机转速接近0 r/min, 叶片处于顺桨状态，桨距角接近90°；在启停机过程中，发电机转速提高至860 r/min，桨距角降低至0°，以获取最大风能利用系数；在低转速运行时，发电机以860 r/min的转速稳定运行，桨距角维持在0°附近；在变转速过程中，发电机受风速影响不断调整转速，且桨距角在0°附近保持不变，使风机最大限度地捕获风能；在额定转速运行时，变桨控制系统调整桨距角，使发电机转速稳定在1 470 r/min额定转速附近，从而控制风机的输出功率稳定[16]。

图2 风速与发电机转速相关分布

图3 风速与桨距角相关分布

表1 工况划分

图4 工况划分

由于加速度传感器和倾角传感器固定在塔筒中，需要根据偏航角度进行坐标系转换[17-18]，将测量数据由传感器坐标系转换至机舱坐标系，如图5所示。图5中：坐标系原点O为传感器所在位置；SS为机舱坐标系侧向(Side-Side，SS)；FA为机舱坐标系前后向(Fore-After，FA)；θ为传感器坐标系x轴方向与机舱坐标系SS轴方向的夹角。所使用的三轴加速度传感器和二轴倾角加速度传感器坐标系下xy平面与水平面平行，根据式(1)进行坐标系转换：

(1)

式中：DSS和DFA分别为转换后机舱坐标系下的SS和FA方向上的加速度或倾角；Dx、Dy分别为传感器坐标系下x、y方向上的加速度或倾角。

图5 坐标系转换示例

3 风机结构响应特征分析

3.1 不同工况下加速度响应特征

对500 h的海上风机多源连续监测数据进行分析，以10 min为间隔划分数据集，计算风机结构响应特征，并进一步分析风机结构响应与工况、环境间的相关性。

统计工况1下所有样本的加速度有效值，求其平均值以分析该工况下加速度响应特征。由图6可知，该工况下塔筒顶部1号测点的加速度响应强度最大，且加速度响应强度随着高度降低而减弱。对比同一测点的不同方向，机舱坐标系下SS方向的加速度响应强度大于FA方向的加速度响应强度，表明该工况下风机以SS方向为主振方向。图7为停机状态下某典型样本的各测点加速度的FASS平面分布。图7中塔筒顶部1号测点加速度在FASS平面呈明显的椭圆分布，并且以SS方向为长轴。同时，随着测点高度的降低，加速度平面分布逐渐收缩至圆形分布，SS方向和FA方向响应强度差异降低。这是由于叶片在FA方向受空气动力阻尼的影响，导致塔筒摆振运动以SS方向为主振方向。此外，倾角响应在FASS平面也呈现出以SS方向为长轴的椭圆分布，如图8所示。

图6 工况1风机各测点加速度有效值

图7 工况1风机各测点加速度平面分布

工况2启停机过程可进一步划分为启动过程和停机过程。以2段启停机过程的监测数据为例，分析该工况下风机结构加速度响应变化。图9为风机某次启动过程中发电机转速、桨距角和塔筒中部3号测点FA方向加速度响应变化曲线。由图9可知：

图8 工况1风机各测点倾角平面分布

当风机处于停机状态时，发电机转速接近0 r/min，此时风机主要受到风、波浪等环境因素激励，加速度响应强度较弱；当外部风速大于切入风速时，风机进入启动工况，风机叶片进行变桨动作，桨距角由84°减小至0°，发电机转速也随之逐步提高。在200 s左右，发电机转速接近860 r/min，此时塔筒加速度响应强度迅速增大，直至发电机转速达到并网运行条件，叶轮捕获的部分风能被转化为电能，加速度响应强度开始降低并趋于稳定。

图9 工况2风机启动过程监测数据

海上风机停机过程备受学者关注，该过程结构响应接近自由衰减振动，由分析停机过程的响应数据能够更准确地获知结构的阻尼参数，对海上风机结构模态辨识具有重要意义[4,6,19]。图10为风机停机过程中塔筒中部3号测点FA方向加速度响应变化曲线。在350 s时，受风机制动系统的影响，塔筒结构发生剧烈振动，随后呈衰减趋势，其包络线明显。

图10 工况2风机停机过程监测数据

工况3在风机运营期间所占比例较小，计算该工况下所有样本加速度有效值的平均值，如图11所示。在该工况下风机以SS方向为主振方向，塔筒顶部1号测点加速度响应强度最高，且响应强度随着测点高度下降而减弱。在该工况下风机结构除了受到环境激励外，叶轮转动产生的激励使得结构振动比停机状态下更为强烈。

图11 工况3风机各测点加速度有效值

在工况4下，风机控制系统根据风速不断调整发电机转速。图12为工况4下发电机转速与塔筒结构响应的相关性，图12中SSn代表n号测点SS方向的加速度响应。由图12可知，塔筒3号、4号、5号测点的加速度响应强度与发电机转速呈正相关，且随着发电机转速的提高，3号测点的加速度响应强度逐渐超过塔筒顶部1号和2号测点的加速度响应强度。

图12 工况4各测点加速度响应与发电机转速相关性

在工况5下，风机结构振动以SS方向为主振方向，并且风机塔筒中部3号测点的加速度响应强度高于其他测点，如图13所示。对此，OLIVEIRA认为这是由于塔影效应，桨叶旋转对塔筒中部产生额外的激励。

图13 工况5风机各测点加速度有效值

图14汇总所有工况下风机各测点SS方向加速度响应强度。由图14可知，塔筒中部测点(SS3)的加速度响应对工况的变化更加敏感。

图14 不同工况下风机各测点加速度有效值

3.2 风速与加速度响应相关性

图15为海上风机运行期间风速与加速度响应的分布图。对比所有工况，工况1下风机结构的加速度响应强度最小，且该工况下加速度响应强度并不随风速增加而加强，这表明在停机时风直接作用在风机上导致的结构振动程度有限。在工况3和工况4下，加速度响应强度与风速呈正相关，在风速达10 m/s时，最大加速度响应强度达0.19 m/s2。在工况5下，当风速为10～16 m/s时，加速度响应强度随着风速增加而下降，这是由于风机在达到额定转速后，桨距角的增加使叶片所承受的空气动力载荷降低。

图15 风速-加速度响应相关分布

4 结 论

介绍部署于4 MW海上风机的实时监测系统，基于多源实测数据，根据发电机转速和桨距角将风机运行过程划分为5类工况。对不同工况下风机结构加速度响应进行统计特征分析，得出风机结构的主振方向为机舱坐标系SS方向；进一步分析不同位置的加速度响应和工况、风速的相关性，结果表明当风机达到额定转速且尚未变桨(风速为10 m/s左右)时，加速度响应强度达最大值，并且塔筒中部的响应强度大于其他位置的响应强度。在额定运行工况(风速为10～16 m/s)下，风机机舱坐标系下FA方向加速度响应强度随风速增加呈下降趋势。因此，在海上风机结构监测中，风机刚达到额定转速且尚未变桨时塔筒中部位置的加速度响应特征应受到额外关注。