海上風電機組系統設計技術目錄TOC\o"1-2"\h\u28707一、概述 3481二、大型海上風電機組及其特點 516983１大型海上風電機組的特點 519162２大型海上風電機組總體設計技術 54814３大型海上風電機組類型 56376４大型海上風電機組開發(fā)及應用 69576（續(xù)） 914705三、風電機組塔架設計 1020201１風電機組塔架模態(tài) 1024376２風電塔架系統整體建模方法 1111220四、葉片試驗模態(tài)分析 1215961１葉片運動學方程 132798圖５?５葉片振動模型 134403２阻尼模態(tài)試驗 144354３頻率模態(tài)試驗 155548４振型（彎矩）分布 151951五、風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統 1819813１概述 185860２風電機組在線監(jiān)測 2024805３在線振動監(jiān)測系統應用 22一、概述目前，絕大部分已完成裝機的海上風電機組的容量在２～６ＭＷ范圍，這些風電機組的特點為三葉片、變槳控制、上風向葉輪，異步感應發(fā)電機、雙饋異步發(fā)電機和永磁（直驅，半直驅）式發(fā)電機等。大型海上風電機組為５～７ＭＷ級，６ＭＷ機組已有的完成了安裝、試運行，這些機組全是三葉片的，大都采用直驅（半直驅）式設計，也有少量仍采用齒輪箱，轉速涵蓋中、高速。更大容量的風電機組包括ＧＥ公司的１５ＭＷ機型，該風電機組采用高溫超導ＨＳＴ發(fā)電機。此外，還出現了采用“Ｖ”字形葉輪的垂直軸１０ＭＷＡｅｒｏｇｅｎｅｒａｔｏｒＸ機組等。雙葉片海上風電機組已有公司在設計，如荷蘭的２?Ｂ能源公司、德國的Ａｅｒｏｄｙｎ公司、英國的Ｃｏｎｄｏｒ風能公司和中國遠景能源公司。圖５?１所示為我國某企業(yè)設計的Ｅ１２８型３６ＭＷ雙葉片直驅式海上風電機組，該機組的特點如下：１）運輸成本低，便于通過海上直接運輸葉輪總成；２）節(jié)省吊裝時間、施工成本低，可以一次吊裝就位；３）減輕了葉片、機艙、塔架重量；４）總長為６２ｍ的葉片采用強化玻璃纖維材料，一部分是長度為２０ｍ固定角圖５?１Ｅ１２８型３６ＭＷ雙葉片直驅式海上風電機組示意圖度不變的內葉片（亦稱作根展葉片），另一部分為４２ｍ長的可變槳的外葉片，具有部分變槳功能，其中，變槳軸承和電控系統安裝在內葉片和外葉片之間；５）避雷效果更好，三葉片風電機組雷擊點集中在葉片端，而雙葉片由于形成了一個相對而言更加開放和分散的結構，使得雙葉片整體具備防雷擊的自我保護功能。二、大型海上風電機組及其特點１大型海上風電機組的特點大型海上風電機組相對于同等容量的陸上風電機組，具有以下特點：１）葉輪直徑更大，額定風速更低；２）風速隨高度的變化率小，輪轂高度降低；３）葉尖速比高，因不受噪聲限制，風電機組轉速提高了１０％～３５％，增加了發(fā)電量，轉矩降低，同時還減小了傳動系統的重量和成本；４）提高防腐保護標準，如內部采用密封措施，齒輪箱和發(fā)電機的空冷系統的空氣通過再循環(huán)進行熱交換，避免了外界空氣的進入，同時，在機艙和塔架內需要安裝除濕裝置。通過增加塔架壁厚、采用電極防護和鍍層措施加強外部防腐保護。２大型海上風電機組總體設計技術大型海上風電機組總體設計技術涉及以下兩個方面：１）大型化及抗臺風設計，包括葉片、齒輪箱、直驅和半直驅型發(fā)電機、塔架等；２）新型結構形式，包括二葉片、下風向、柔性葉片，高壓發(fā)電機（輸出電壓為１０ｋＶ）和高壓輸電技術，例如，由直流輸電取代交流輸電方式以減少損耗等。３大型海上風電機組類型（１）直驅型風電機組２００７年，世界上只有德國的ＥＮＥＲＣＯＮ公司和我國金風科技公司能夠生產直驅型風電機組。近年來，隨著機組容量的增大，電網對于風電并網的要求日趨嚴格，直驅型風電機組尤其是永磁直驅技術的風電機組具有的優(yōu)越性能充分展現出對電網的友好性，使得西門子、ＧＥ等公司也紛紛開展永磁直驅風電機組的研發(fā)。海上５ＭＷ及以上大型風電機組采用永磁直驅技術，該趨勢已經形成，直驅型風電機組在海上風電市場具有競爭優(yōu)勢，因為該風電機組無需齒輪箱，減少了齒輪箱維護成本，齒輪箱維護成本超過了直驅型機組增加的初始投資成本。與雙饋風電機組相比，直驅型風電機組采購成本每千瓦僅僅增加７０～８０元人民幣，但其發(fā)電量更多、維修工作量更小，因此，性價比優(yōu)勢明顯。采用永磁直驅技術，利用其自身勵磁的優(yōu)勢，可大幅度降低電能損失，風電機組的總體效率得以提高３％～５％。此外，直驅型風電機組由于沒有齒輪箱，減少了故障率，對于海上風電機組而言，沒有齒輪箱也降低了潤滑油泄漏污染海面的危險。盡管去除了齒輪箱，但該機型也增大了風電機組的重量和體積，機身更大、所用鋼材也將更多，存在發(fā)電機散熱與機頭載荷大等不足。直驅型風電機組機頭重量過重，往往會增大機艙和輪轂聯合處的磨損量。２０１１年８月８日，我國湘電風能有限公司研制生產的ＸＤ１１５?５０００海上直驅型風電機組在荷蘭北部的Ｗｉｅｒｉｎｇｅｒｗｅｒｆ風電場順利完成吊裝，進入試驗階段。該風電機組葉輪中心高為１００ｍ、葉輪直徑為１１５ｍ，減少了齒輪箱和其他相關零部件，采用直驅技術、永磁發(fā)電機、單主軸軸承、先進的葉片、密封的機艙和集成控制系統，使得風電機組運行的可靠性和效率顯著提高。同時，通過對該風電機組的機頭采用輕量化設計，降低了海上風電機組基礎結構載荷量、安裝更為便利。（２）雙饋風電機組該機型采用齒輪箱和高速發(fā)電機技術，以及模塊化和一體化設計方案。雙饋技術經歷過長時間檢驗，成熟并一直被丹麥維斯塔斯、我國華銳風電科技（集團）股份有限公司等企業(yè)所采用。華銳風電科技（集團）股份有限公司６ＭＷ風電機組已于２０１１年６月下線。歐洲海上風電場具有風速穩(wěn)定、沒有風沙、電網穩(wěn)定特點，對諧波容忍程度高，再加上齒輪箱質量好，雙饋風電機組技術相對成熟，因此，已在歐洲多個大型海上風電場得到成功應用。（３）半直驅風電機組直驅型和雙饋風電機組各具特點，這兩種機型正有逐漸融合之勢。目前，我國部分企業(yè)已經開始生產兼顧這兩種技術優(yōu)勢的半直驅風電機組。半直驅風電機組的關鍵在于傳動和載荷，屬于帶有中速發(fā)電機的單級傳動平臺，能夠兼顧直驅和雙饋風電機組的優(yōu)勢。此外，還出現了采用多發(fā)電機系統形式的機型。４大型海上風電機組開發(fā)及應用由于海上特殊的自然條件帶來的安裝、維修高費用，必須依靠大型化風電機組技術才能解決大規(guī)模商用的成本問題。近年來，在土地資源稀缺和減排要求的雙重壓力下，歐美國家均開始大力開發(fā)海上風電資源。根據英、法兩國公布的未來十年規(guī)劃，新建設的７６００臺海上風電機組平均單機容量都要求在５ＭＷ以上。據報道，美國能源部和內政部近期發(fā)布了《國家海上風電戰(zhàn)略：創(chuàng)建美國海上風電產業(yè)》。這是美國歷史上首個關于海上風電的機構間合作規(guī)劃。該規(guī)劃重點擬解決三個問題：海上風電的相對高成本，安裝、運營和并網方面的技術挑戰(zhàn)，以及現場數據和項目審批程序經驗的匱乏。美國計劃到２０１５年投資５０５０萬美元重點發(fā)展海上風電，其中，技術開發(fā)投入２５００萬美元，支持開發(fā)創(chuàng)新型風電機組設計工具和硬件，為美國發(fā)展具有成本競爭力和世界一流水平的海上風電產業(yè)奠定基礎。我國已具備設計制造大型海上風電機組的能力，６ＭＷ大型海上風電機組已完成吊裝或試運行。國家科學技術部制定《風力發(fā)電科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》），明確未來的重點任務涉及基礎研究類、研究開發(fā)類等７個層面，其中，對風電機組整機關鍵技術研究開發(fā)包括“１０ＭＷ級風電機組總體設計技術”、“３ＭＷ到５ＭＷ永磁直驅風電機組產業(yè)化技術”和“７ＭＷ級風電機組研制及產業(yè)化技術”。大容量風電機組相關技術研究已成為我國風電產業(yè)科技創(chuàng)新的重點，國家擬通過“８６３計劃”重點資助研發(fā)１０ＭＷ大型海上風電機組，計劃采用永磁直驅、雙饋或超導技術?！兑?guī)劃》還明確特大型風電場建設將成為我國風電開發(fā)的需求重點，“十二五”期間，我國將規(guī)劃建設６個陸上和２個海上及沿海風電基地。圖５?２～圖５?４所示分別為已量產或投產的高速、低中速齒輪式和直驅型大型海上風電機組的結構示意圖，相應的結構特點分別如表５?１～表５?３所示。圖５?２高速齒輪式大型海上風電機組結構示意圖表５?１高速齒輪式大型海上風電機組序號型號功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅動系統齒輪箱發(fā)電機種類能電轉換箱安裝位置１Ｂａｒｄ５０５１２２半整體三級雙饋感應塔筒基２Ｂａｒｄ６５６５１２２半整體分散式永磁塔筒基３瑞能（Ｒｅｐｏｗｅｒ）５Ｍ５１２６非整體式主軸、雙轉子軸承三級雙饋感應機艙４瑞能（Ｒｅｐｏｗｅｒ）６Ｍ６１２６非整體式主軸、雙轉子軸承三級雙饋感應機艙（續(xù)）序號型號功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅動系統齒輪箱發(fā)電機種類能電轉換箱安裝位置５西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?３６?１０７３６１０７非整體式主軸、雙轉子軸承三級行星齒輪異步感應塔筒基（流整流器，機艙換流器和變壓器）６西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?３６?１２０３６１２０非整體式主軸、雙轉子軸承三級行星齒輪異步感應機艙（交直流整流器，機艙換流器和變壓器）７華銳（Ｓｉｎｏｖｅｌ）ＳＬ３０００３９１３非整體式三級雙饋感應／８華銳（Ｓｉｎｏｖｅｌ）ＳＬ６０００６１２８非整體式三級異步感應／９維斯塔斯（Ｖｅｓｔａｓ）Ｖ９０?３０ＭＷ３９０半整體、單轉子軸承三級雙饋感應機艙圖５?３低中速齒輪式大型海上風電機組結構示意圖表５?２低中速齒輪式大型海上風電機組序號型號功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅動系統齒輪箱發(fā)電機種類能電轉換箱安裝位置１阿?，m（ｒｅｖａ）Ｍ５０００５１１６低速：全整體單轉子軸承單級行星式雙饋感應塔筒基２歌美颯（Ｇａｍｅｓａ）Ｇ１１Ｘ?５０ＭＷ５１２８中速：主軸軸承：凸緣主體元件兩級永磁塔筒基３維斯塔斯（Ｖｅｓｔａｓ）Ｖ１６４?７０ＭＷ７１６４中速：主軸軸承：凸緣主體元件三級雙饋感應機艙圖５?４直驅型大型海上風電機組結構示意圖表５?３直驅型大型海上風電機組序號型號功率／ＭＷ葉輪直徑／ｍ驅動系統發(fā)電機種類能電轉換箱安裝位置１阿爾斯通（Ａｌｓｔｏｍ）Ｈａｌｉａｄｅ１５０６１５０前置電機液冷、永磁塔筒基２通用電氣（ＧＥ）４１?１１３４１１１３后置電機空心主軸永磁機艙３ＮｏｒｄｅｘＮ１５０／６０００６１５０后置電機獨立轉子和電機軸用扭轉軸相連液冷、永磁／４西門子（Ｓｉｅｍｅｎｓ）ＳＷＴ?６０?１２０６１２０前置電機單轉子軸承液冷、永磁機艙５ＳＴＸ７２２７２前置電機單轉子軸承被動風冷、永磁塔筒基６湘電風能（ＸＥＭＣＷｉｎｄｐｏｗｅｒ）ＸＤ１１５５１１５前置電機單轉子軸承被動強制風冷、永磁塔筒基三、風電機組塔架設計１風電機組塔架模態(tài)采用分析力學、多體動力學和有限元方法研究風電機組的塔架模態(tài)，有學者曾在實驗室對一個垂直軸風電機組模型在停機和運行狀態(tài)下進行模態(tài)測試，獲得相應的頻率及其阻尼比。但是，實際運行的風電機組塔架通常處在惡劣多變的自然環(huán)境中，且在高聳塔架的頂端安裝有截面形狀復雜的葉輪、機械裝置及其附屬配件，很難通過理論方法和實驗模型準確地得到該結構的模態(tài)。因此，采用現場實測方法便成為獲得風電機組塔架模態(tài)較為可靠的方法。ＧＬ規(guī)范和國內風電機組相關規(guī)范都要求對塔架進行動力計算，但都沒有給出相應模態(tài)阻尼比的建議值。另外，目前風電塔架系統有限元建模多采用將槳葉和機艙凝聚成塔頂的質量塊的簡化處理方法，但此方法無法準確地反映槳葉與塔架的耦合關系，也無法體現槳葉的振動形式，槳葉與塔架之間相互作用的不確定性可能帶來經濟上的浪費或者存在安全隱患。有學者提出了一種基于剪力傳遞的槳葉和塔架的耦合機制，該方法雖然考慮到了槳葉和塔架之間的耦合，但是忽略了兩者之間彎矩、扭矩和軸力的傳遞等。２風電塔架系統整體建模方法槳葉—輪轂—機艙—塔架耦合整體建模方法，通過分析風電塔架系統的模態(tài)，獲得塔架的固有頻率和振型。（１）風電塔架系統整體建模以某１５ＭＷ／７７直驅型風電機組為例進行測試，風電機組輪轂高為６５ｍ，由三節(jié)塔段構成，塔底直徑為４ｍ、厚度為２６ｍｍ，塔頂直徑為２５７ｍ、厚度為１２ｍｍ，彈性模量為２１×１０１１Ｎ／ｍ２，密度為７８５０ｋｇ／ｍ３。根據塔架的幾何特征和主要受力特點，采用八節(jié)點ＳＨＥＬＬ１８１殼體單元。風電機組葉輪直徑為７７ｍ，根據剛度等效原則將不規(guī)則的槳葉轉化為規(guī)則形狀，可視為中空矩形的變截面懸臂梁，葉底截面為３ｍ×０８ｍ×００１ｍ，葉尖截面為０３ｍ×００８ｍ×００１ｍ，采用ＢＥＡＭ１８９單元，葉片材料為玻璃鋼，可看作正交各向異性材料，密度為２１００ｋｇ／ｍ３，展向模量為６２５×１０１０Ｐａ，徑向模量為１６５×１０１０Ｐａ，剪切模量為５５×１０９Ｐａ，泊松比為０２２。機艙和輪轂結構比較復雜，在整體分析過程中忽略內部細節(jié)特征，因此，將機艙和輪轂簡化為質量點，采用ＭＡＳＳ２１質量單元模擬，設置單元參數，考慮其質量、質量轉動慣量和偏心位置，然后將質量單元節(jié)點、塔架頂部和槳葉通過ＣＥＲＩＧ命令剛性連接。由于基礎相對上部結構剛度很大，認為結構底部完全固結，不考慮土體對結構的影響。（２）風電塔架模態(tài)分析采用ＢｌｏｃｋＬａｎｃｚｏｓ法對風電塔架系統進行模態(tài)分析，得到固有頻率和振型。其中，前十階固有頻率理論值和振型描述如表５?４所示?？梢姡L電塔架的振動形式主要表現為側向彎曲振動、前后彎曲振動和扭轉振動，與實測的振動形式相同。１）第一階和第二階分別為風電塔架的一階側向彎曲振動和一階前后彎曲振動，頻率分別為０ｚ和０ｚ，葉片振動較小；２）第五階時塔架出現一階扭轉振動，頻率為１ｚ；３）第九階和第十階時塔架分別為二階側向彎曲振動和二階前后彎曲振動，頻率分別為３ｚ和３ｚ；４）其他階的振型以葉片的振動為主。通過對比可知，塔筒頻率理論值比實測值偏高，誤差范圍基本在５％以內，從工程的觀點來看可以接受。同時，誤差主要由理論模型與實際結構之間存在一定的差異以及脈動實測本身的誤差等引起。表５?４風電塔架系統前十階固有頻率理論值和振型描述階數頻率／Ｈｚ振型描述１０４２５７塔架一階側向彎曲振動２０４２７５塔架一階前后彎曲振動３１０５２４葉片揮舞方向一階：上方葉片保持不動，下方兩葉片揮舞異向振動４１１７６２葉片揮舞方向一階：上方葉片與下方兩葉片揮舞異向振動５１２３２２葉片揮舞方向一階：三葉片揮舞同向振動，塔架一階扭轉振動６１４０２５葉片揮舞方向二階：上方葉片保持不動，下方兩葉片揮舞異向振動７２３３９８葉片擺振方向一階：三葉片擺陣同向振動８３２０２０葉片揮舞方向二階：上方葉片保持不動，下方兩葉片揮舞異向振動葉片擺振方向一階：上方葉片保持不變，下方兩葉片擺振異向振動９３４５７２葉片擺振方向一階：上方葉片與下方兩葉片擺振異向振動，塔架側向二階振動，節(jié)點位于與上方部件連接處１０３４７６９葉片揮舞方向二階：上方葉片與下方兩葉片揮舞異向振動葉片擺振方向一階：上方葉片保持不變，下方兩葉片擺振異向振動塔架前后二階振動，節(jié)點位于與上方部件連接處四、葉片試驗模態(tài)分析大型風電葉片主要采用玻璃鋼等復合材料，其殼體構件復雜，更長、更重。例如，丹麥某公司為某６ＭＷ海上風電機組生產了至今全球最長的葉片，該葉片長達７３ｍ重２６ｔ葉根端直徑為３ｍ隨著葉片的大型化以及葉片監(jiān)測系統和獨立變槳控制技術的應用，需要通過采用模態(tài)分析的研究葉片方法動態(tài)響應。目前，針對多自由度系統的模態(tài)分析方法主要有試驗模態(tài)分析和計算模態(tài)分析兩類。由于風電葉片的形狀不規(guī)則，表現出多自由度系統特征，若采用計算模態(tài)分析方法比較復雜。因此，可采用試驗模態(tài)分析方法進行模態(tài)參數識別。大型風電葉片尺寸長，可采用錘擊法和正弦激勵法對葉片進行試驗模態(tài)分析，獲得葉片的阻尼、頻率和振型等模態(tài)參數，為特征參數的獲得提供保障，測出的模態(tài)參數也為降低葉片共振應力提供最基本的依據。１葉片運動學方程５?５

在模態(tài)試驗中將風電葉片當做一個沿縱向變質量的懸臂梁，其振動模型如圖所示。葉片的自由動態(tài)響應可以分解為一系列離散的模態(tài)形式，即模態(tài)阻尼、模態(tài)頻率及模態(tài)振型。在一定的頻率范圍內，這些模態(tài)參數可完整地動態(tài)描述風電葉片的固有動態(tài)特性。假設葉片揮舞方向受加載力為ｕ（ｔ），葉片動力學方程表示為式（５?１）?！ぃ悖剑酰ǎ簦恙兀玻剑耄恚悖?/p>

（５?１）由式（５?１）可得葉片運動狀態(tài)方程。

圖５?５葉片振動模型ｘ＝０ １

ｘ＋０

０ｕ（ｔ） （５?２）ｋ－ω２ －２εω－ω ０ｋ由式（５?１），建立葉片在強迫振動下的振幅ｘ。＝ｘ ｕ（ｔ） ＝ｋ （１－λ２）２＋（２λ）２

（５?３）由式（５?３），可見影響葉片振幅ｘ的主要因素包括剛度、阻尼、頻比和加載力，葉片振幅放大系數與模態(tài)參數的關系如圖５?６所示。可見，在ｕ（ｔ）作用下葉片振幅放大系數受頻比λ和阻尼系數ξ影響較大。例如，λ接近１且ξ比較小時，葉片的振幅放大系數就越大。由于葉片的阻尼系數ζ普遍較小，所以共振時葉片的振幅放大系數較大。圖５?６振幅放大圖２阻尼模態(tài)試驗（１）葉片自由振動衰減通過采集、分析風電葉片在交變應力或者交變應變作用下的響應信號，計算反映此葉片的一系列參數，如對數衰減率、阻尼、內耗。其中，阻尼反映了葉片在受到外加擾動后，受各種阻力的影響，能量逐漸衰減而運動減弱。將葉片的自由振動簡化成式（５?４）所示質量塊的運動微分方程。·＋ｃｘ＋ｘ＝０ （５?４）令，ｘ＝Ｘｅｓｔ，代入式（５?４）得（ｓ２＋ｓ＋ｋ）Ｘｅｓｔ＝０ （５?５）式中，ｓ＝ｃ

２ｃ２－４ｍｋ＝－ｃ± ｃ２２－ｋ，令ωｎ＝ ｃ２２－ｋ。ｍ ２ｍ ４ｍ

４ｍ ｍＸ－ｃＸ－ｃｔｘ＝ｅ２ｍｓｉｎ（ωｎｔ＋α） （５?６）２ｍ式中，為自由振動的初始幅值；α為初始相位；ｃ為阻尼系數。式２ｍ表示葉片振幅隨時間呈圖５?７所示幾何級數遞減特征。圖５?７有阻尼自由振動運動圖（２）阻尼測試ｌｎ當葉片振幅較大時，受風的影響較小，阻尼的計算結果比較準確。所以，對阻尼的測量最好在葉片大振幅振動時進行。例如，將葉片加載點的振幅增大到某數值時，突然釋放牽引力，得到葉片加載點的振幅衰減曲線如圖５?８所示，并得到阻尼比ｌｎπξ＝２１π

ｙｋｋ＋

（５?７）式中，ｙｋ和ｙｋｎ為相距ｎ個周期的自由振動振幅。圖５?８振幅衰減曲線３頻率模態(tài)試驗能量主要集中在低階模態(tài)，所以與高階模態(tài)相比，低階模態(tài)具有較大的系數。研究低階模態(tài)，受迫振動的頻率響應函數為）＋Ｈ（ω）＝（１－）＋ωｎ式中，λ＝ω，ωｎ

λｊ （５?８）２）２＋ｌｍＨ（ω）＝（１－２）２＋

λ２

（５?９）大型葉片質量大、固有頻率低（一階頻率低于１Ｈｚ），模態(tài)不易激勵。因此，往往選用葉片尖部作為激勵點，并將加速度傳感器置于葉片尖部。葉片在施加一個正弦激振后，會隨之開始沿Ｆｌａｐｗｉｓｅ方向作振幅逐漸衰減的自由振動，電荷放大器將加速度信號放大傳送給信號采集器，經過采樣和處理后獲得離散數字信號，再經ＦＦＴ轉換，分析得出葉片的一階與二階固有頻率。試驗結果如圖５?９所示，可見，該葉片的一階固有頻率約為０６４Ｈｚ，二階固有頻率約為１６８Ｈｚ。４振型（彎矩）分布通過對葉片進行單點多級靜力加載試驗，獲得多個測試點的撓度ｙｉ，再經二階指數函數進行擬合，得到沿葉片展向的撓度變化如圖５?１０所示。基于單元質量法，將風電葉片沿展向分割成若干個質量單元Δｍｉ，沿展向的彎矩和加速度與重心的關系如式（５?１０）所示：ａ ａ ∑Δ ｉ （５?１０）Ｔ＝ ｍｉＬｉω２ｙ＋ｇｉ＝０式中，Ｔａ為葉片彎矩；Δｍｉ為單元塊質量；Ｌｉ為測點與質量塊的距離；ω為激振圖５?９試驗結果圖５?１０沿展向撓度變化趨勢器頻率；ｙｉ為單元質量塊的撓度；ｇ為重力加速度。由式（５?１０）可知，沿葉片展向的彎矩分布與葉片振型和添加的配重塊質量有關。Δ 假設作動器總質量Δｍ，配重塊質量與葉片的相應單元質量之和分別為Δｍ０、Δｍ１、Δｍｓ，如圖５?１１所示，在其共同作用下，沿葉片展向位置ｌ０（ｌ０＜Δｘ０）處的彎矩為Ｔｌ＝Δｍ（Ｌｉ－Ｌ０）（ω２ｙｉ＋ｇ）＋Δｍ０（Δｘ０－Ｌ０）（ω２ｙ０＋ｇ）＋…＋Δｍｓ（Δｘ０＋Δｘ１＋…＋Δｘｓ－Ｌ０）（ω２ｙｓ＋ｇ） （５?１１）同時，得到沿葉片展向彎矩的質量單元矩陣如式（５?１２）所示。Δｍ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Ｍ＝

０?００ ０ ０００００Δｍ６０ ０ ００００００?０ ０００００００Δｍ＋Δｍｉ０００００００ ０?００００００ ０ ０Δｍ１９０

（５?１２）０ ０ ０ ０ ０ ０ ０ Δｍ２０可見，通過改變配重塊質量Δｍｉ及位置Δｘｉ，即可重新調整葉片的彎矩分布如圖５?１２所示。圖５?１１質量單元分布圖圖５?１２沿展向彎矩分布五、風電機組狀態(tài)監(jiān)測系統１概述隨著風電機組投運規(guī)模的擴大和運行時間的增加，機組出現機械故障的情況趨于嚴重。通過監(jiān)測風電機組齒輪箱、發(fā)電機、主軸軸承等關鍵部件，對風電機組進行有效監(jiān)控，利于提高風電機組的利用率，為實施計劃維護起到關鍵作用。隨著投運的風電場規(guī)模的擴大，風電機組的運行維護工作顯得越來越重要，通過風電機組的監(jiān)控系統，對于實施風電場計劃維護、降低風電場的設備故障率、提高設備的可靠性將起到非常關鍵的作用。圖５?１３統計了我國某風電場相關風電機組的故障情況。其中，發(fā)電機的變槳和變頻控制、電氣控制停機次數占６３％，發(fā)電機、主軸和齒輪箱的故障次數占１８％，但停機時間占到了６８７％。風電機組的主要故障為變槳系統、控制系統、逆變器、發(fā)電機以及齒輪箱，齒輪箱的損壞對于風電場的發(fā)電量和維護成本影響極大。如何保證齒輪箱、發(fā)電機等機械零部件的可靠性，做到預防性維護極為關鍵。圖５?１３各類型故障停機次數權重例如，變槳系統備用電源（蓄電池組）引起風電機組２０％事故，事故表現為變槳系統失電后，由于備用電源失效，風電機組未能實現順槳動作，導致風電機組超速，造成風電機組發(fā)生倒塌并帶來巨大損失?？晒┎扇〉拇胧┌ǎ海保┘訌娙粘＿\行管理，要求運行人員對變槳系統電源故障報警采取正確處理措施，對變槳系統電源故障報警給予足夠重視，及時處理，杜絕采用屏蔽報警信號的辦法維持運行。２）改進的優(yōu)化蓄電池組性能檢測方法，不僅檢測蓄電池組端電壓，并進一步優(yōu)化檢測方法，如增加電流、電容量等檢測指標，同時，優(yōu)化控制系統和日常運行維護程序。３）確保新裝蓄電池組性能良好，為避免保存時間過長對蓄電池性能產生不利影響，在風電機組總裝前檢測蓄電池組性能。４）完善備用電源系統監(jiān)控手段，增加獨立的備用電源系統監(jiān)測裝置，保證能及時發(fā)現充電回路故障。２風電機組在線監(jiān)測（１）風電機組監(jiān)測系統的作用為了提高風電場的利潤，必須延長風電機組年可發(fā)電時間、降低維修成本、提高維修效率、增強運行安全性和避免非計劃停機。根據傳統發(fā)電行業(yè)的經驗，通過使用在線監(jiān)測系統，能增加風電場的正常運行時間，優(yōu)化風電機組運行工況、降低其維修費用，提高風電機組的運行安全性。１）杜絕非計劃性軸承和齒輪的維修工作；２）協助制定維修計劃，在無風或枯風期安排維修；３）減少日常現場巡視次數；４）降低加班費用和生產損失；５）進行基于狀態(tài)監(jiān)測的維修；６）杜絕二次損傷；７）延長機器使用的壽命；８）減少備件數和降低損耗率。針對兆瓦級風電機組，國外的風電場陸續(xù)都安裝了狀態(tài)監(jiān)測系統。自２００２年以來，安聯大眾（ＡＬＬＩＡＮＺ）等德國保險公司修改了保險條款，將安裝經過認證的狀態(tài)監(jiān)測系統作為風電場能夠投保的必要條件。德國各大風電場都將狀態(tài)監(jiān)測系統看作風電場維修的重要組成部分，Ｖｅｓｔａｓ、ＲＥｐｏｗｅｒ、Ｓｕｚｌｏｎ等主要風電設備制造商也將狀態(tài)監(jiān)測系統看作自身設備的保障，出廠前就在其風電設備上安裝了相應的狀態(tài)監(jiān)測系統。隨著我國風電設備保險市場的成熟，狀態(tài)監(jiān)測技術的應用勢必成為必然，包括在線和離線振動監(jiān)測設備等。（２）風電機組監(jiān)測系統的功能以我國內蒙古某風電場為例，所采用的風電機組監(jiān)測系統的功能如下：１）機組運行狀態(tài)顯示，分為并網運行、等風、停機、通信中斷、檢修掛牌五類；２）單臺機組起動、停機、復位功能；３）整條風電線風電機組起動、停機功能；４）單臺機組轉速控制及功率控制功能；５）整個風電場的有功功率控制及無功功率控制功能；６）風電機組遙測量上下限越限報警；７）風電機組故障報警統計，分為高、中、低級三類；８）風電機組可利用率統計；９）風電機組發(fā)電量報表，分為１５ｍｉｎ報表、１ｈ報表、月報表、年報表；１０）風電機組功率曲線計算及顯示；１１）實時曲線、歷史曲線功能；１２）數據庫存儲及計算。（３）風電場變電站監(jiān)控系統的功能１）變電站電氣設備遙測量數據采集上傳、實時顯示；２）模擬量越限報警；３）變電站遙信量采集上傳、語音報警；４）電氣一次設備（開關、刀閘）遠方遙控分合閘，以及五防閉鎖、操作票自動生成功能；５）主變有載調壓，分接開關檔位調節(jié)功能；６）電能計量系統數據采集及報表計算功能；７）變電站遙測點實時曲線、歷史曲線功能；８）數據庫存儲及計算功能。（４）在線狀態(tài)監(jiān)測系統以圖５?１４所示某在線狀態(tài)監(jiān)測系統為例，其功能與特點如下。圖５?１４系統示意圖１）在線振動監(jiān)測系統構成。在風電機組（主軸承座、齒輪箱、發(fā)電機）預先選定的位置共安裝８個振動加速度傳感器和１個轉速計，利用傳感器將采集的信號通過屏蔽電纜接入到１臺智能采集單元ｉＭＵ（ＩＭｘ?Ｗ），ｉＭＵ再將經處理的數據通過無線網絡發(fā)送到事先裝有分析軟件ｐｔｉｔｕｄｅ的服務器這樣用戶就可以通過多種方式登錄服務器察看運行數據，開展數據信息的深入分析工作。２）系統配置。一臺智能監(jiān)測單元ｉＭＵ（ｘ有個模擬通道、８個數字通道個繼電器驅動輸出）；一套分析軟件ｐｔｉｔｕｄｅｂｓｅｒｖｅｒ（無限制用戶）；一套ＷｉｎｄＣｏｎ的傳感器和電纜等附件，包括風力發(fā)電機專用普通加速度傳感器５套［齒輪箱高速端（徑向３套）和發(fā)電機轉子軸承（徑向２套）］，風力發(fā)電機專用低頻加速度傳感器３套（用于主軸軸承軸向和徑向各１套，齒輪箱低速端徑向套），一套轉速傳感器ＩＦＭＩＧ５５３３，用于獲取高速軸的轉速。３）系統功能。該系統可用于監(jiān)測風電機組的故障，包括動平衡、對中、軸承和齒輪嚙合，以及軸彎曲、機械松動、塔架振動、葉片振動、電氣和共振等故障。（５）ＩＭｘ?Ｐ在線監(jiān)