潘巧波, 劉 楊

(1.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012;2.天津龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司,天津 300270)

雙饋風(fēng)電機(jī)組油溫超限運(yùn)行的控制策略

潘巧波1, 劉 楊2

(1.東北電力大學(xué),吉林 吉林 132012;2.天津龍源風(fēng)力發(fā)電有限公司,天津 300270)

針對雙饋機(jī)組運(yùn)行中齒輪箱油溫超限的問題,遵循分析風(fēng)機(jī)故障原則,提出了機(jī)組油溫超限后的自動降負(fù)荷運(yùn)行控制策略。以龍源大港馬棚口風(fēng)電場B60號機(jī)組齒輪箱油溫超限故障為研究對象,分析了其風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)數(shù)、齒輪箱油溫等實際運(yùn)行數(shù)據(jù),并結(jié)合南高齒廠家提供的試驗數(shù)據(jù),計算得出齒輪箱油溫超限時的功率控制目標(biāo)值。實踐證明,該控制策略能保證齒輪箱油溫超限故障機(jī)組油溫穩(wěn)定和機(jī)組正常運(yùn)行。

雙饋機(jī)組;齒輪箱故障;油溫超限;功率限制

中國自20世紀(jì)80年代從國外引進(jìn)大功率風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的消化吸收、再制造過程[1-2]中,由于進(jìn)口齒輪箱和前期國產(chǎn)化齒輪箱不適合,大部分齒輪箱運(yùn)行不足3a均由于齒輪、軸、軸承等關(guān)鍵件的失效導(dǎo)致停機(jī)大修,對風(fēng)電場和制造商均造成了較大的損失。根據(jù)世界風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)數(shù)據(jù),風(fēng)電系統(tǒng)的失效率12%來自齒輪箱的失效,齒輪箱的失效是導(dǎo)致故障時間、維修和產(chǎn)量減少的主要原因,一般其損失要占風(fēng)電設(shè)備總價的15%～20%[3-4]。目前,解決雙饋風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫超限故障的方法有2種,一種是讓該風(fēng)機(jī)待機(jī)散熱,等到油溫降至規(guī)定值以下,復(fù)位重啟,但這樣的處理辦法對風(fēng)機(jī)的使用壽命影響很大。另一種是通過限制風(fēng)機(jī)的葉輪轉(zhuǎn)數(shù),控制齒輪箱油溫,但這種方法降低了齒輪箱工作效率。因此,為了彌補(bǔ)這兩種控制方法的不足,本文提出了一種基于齒輪箱油溫值自動控制調(diào)節(jié)機(jī)組功率的方法。

1 油溫與機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系

1.1 油溫與機(jī)組功率

按樣板機(jī)選取數(shù)量不超機(jī)組總量的10%的原則,選取6臺故障率較低的風(fēng)機(jī)作為研究對象,按一定的統(tǒng)計方法得到了油溫與機(jī)組功率的關(guān)系,如圖1所示。

1.2 油溫與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

在日常運(yùn)行中,出現(xiàn)齒輪箱油溫超限故障,手動限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速,一般選取17.0、16.5、16.0、15.5、14.5、14.0、13.5、13.0、12.5、12.0、11.5、11.0、10.5、10.0 r/min。觀察監(jiān)控數(shù)據(jù),統(tǒng)計這些風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對應(yīng)的溫度值,得出轉(zhuǎn)速與齒輪油溫的對應(yīng)關(guān)系如圖2所示。

圖1 齒輪箱油溫與機(jī)組功率關(guān)系圖

圖2 齒輪箱油溫與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

2 控制策略

對風(fēng)場現(xiàn)行控制策略進(jìn)行觀察和分析,通過限制風(fēng)機(jī)功率輸出能達(dá)到控制齒輪箱油溫升高的作用?，F(xiàn)提出油溫超限時功率限制程序控制策略,如圖3所示。

圖3 功率限制程序控制策略

在圖3中,P為發(fā)電機(jī)實際輸出功率,輸出變量;Pref為故障時的功率目標(biāo)值(給定值)。Pref作為輸入變量,輸入到功率控制器,槳距角控制器以Pref為功率目標(biāo)值對變槳機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制,控制風(fēng)輪槳葉角度,使發(fā)電機(jī)達(dá)到Pref的功率值輸出。其中,發(fā)電機(jī)功率值P作為輸入與Pref進(jìn)行比較,從而實現(xiàn)了功率的不斷調(diào)節(jié),最終達(dá)到發(fā)電機(jī)Pref功率值的正確輸出。通過主控程序限制風(fēng)機(jī)發(fā)出的功率值,反饋到變槳機(jī)構(gòu),變槳到一定的角度[5]。以此保證葉輪轉(zhuǎn)速下降到相應(yīng)值,齒輪箱工作效率隨即下降,油溫度就會降低。

3 控制目標(biāo)值的確定

3.1 葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限值的確定

在現(xiàn)場的實際工作中,當(dāng)某臺風(fēng)電機(jī)組多次發(fā)生齒輪箱油溫超限故障時,運(yùn)行人員為了不使風(fēng)機(jī)停機(jī),就會采取臨時限制風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)、功率運(yùn)行的措施。風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)的降低使齒輪箱中齒輪嚙合旋轉(zhuǎn)速度降低,齒輪箱的功率效率降低,齒輪箱的油溫會得到控制,使風(fēng)機(jī)不停機(jī)。根據(jù)運(yùn)行的經(jīng)驗,把葉輪轉(zhuǎn)數(shù)從最高的17.4 r/min降至16.5 r/min。若將葉輪轉(zhuǎn)數(shù)降至17 r/min,此時對風(fēng)機(jī)的功率輸出影響不大,對風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫的限制不明顯,很短時間后齒輪箱油溫超限故障就會再次報出;若將葉輪轉(zhuǎn)數(shù)降至16 r/min,此時對風(fēng)機(jī)功率的輸出影響較大,雖然能很好的限制齒輪箱油溫的升高,但對風(fēng)機(jī)功率輸出影響較大,風(fēng)機(jī)的運(yùn)行效率、發(fā)電能力將會相對降低。因此,在綜合考慮以上兩方面的因素,把葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限至16.5 r/min。

3.2 由葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限值確定功率目標(biāo)值

根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗確定了選取的葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)16.5 r/min,結(jié)合風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)采集的B60號機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),分析確定啟動功率限制程序時的功率目標(biāo)值Pref。

B60號風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)選取的時間段為2014年3月11日21時00分至3月12日04時00分。其中,2014年3月11日21時00分至3月12日03時06分風(fēng)機(jī)處于滿功率運(yùn)行。在3月12日03時07分手動限制B60號風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)至16.5 r/min,持續(xù)運(yùn)行至3月12日04時00分。B60號風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)以1 min為間隔,變量值選取了葉輪轉(zhuǎn)速、功率、齒箱油溫及風(fēng)速。B60號風(fēng)機(jī)功率隨時間變化如圖4所示。

圖4 B60號風(fēng)機(jī)功率圖

由圖4可知,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限制為16.5 r/min 后,風(fēng)機(jī)發(fā)出功率集中在1200至1300 kW之間。根據(jù)以上分析,可初步確定啟動功率限制程序時的功率目標(biāo)值范圍為1200～1300 kW。

3.3 齒輪箱油溫升分析確定功率目標(biāo)值

齒輪箱的功率損耗的各個組成部分為

Pv=Pvs+Pvs0+Pvb+Pvb0+Pvd+Pvx

(1)

式中:Pvs為齒輪在傳力時由于齒廓滑動-滾動而引起的摩擦損耗;Pvs0為齒輪的空載運(yùn)行損耗,即油浸潤滑時的攪拌損耗和強(qiáng)制噴油潤滑時的擠壓損耗和使被噴入的油加速度和變向所需的功率及風(fēng)阻損耗;Pvb為軸承受載時的損耗;Pvb0為軸承的控載損耗;Pvd密封的摩擦功率;Pvx為其他在箱體中的設(shè)備的功率損耗。

在考慮齒輪箱功率損耗的各個組成部分時,輸入轉(zhuǎn)矩變化后,Pvs與Pvs0為主要損耗,其他損耗可忽略不作考慮。輪齒摩擦損耗Pvs隨載荷的增長而正比例的變化,并隨著圓周速度v的增大而增大。Pvs0實際主要為攪拌損耗與風(fēng)阻損耗。由于各個功率損耗都以熱的形式散發(fā),潤滑油作為傳遞介質(zhì),其溫度會上升,功率損耗減少時油溫會相應(yīng)的降低。因此,齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)數(shù)降低時,隨著各齒輪的圓周速度與攪拌速度的降低,齒輪箱主要的功率損耗——輪齒摩擦損耗與攪拌損耗就會減少,油溫也會相應(yīng)的降低。

依據(jù)B60號風(fēng)機(jī)所采數(shù)據(jù),統(tǒng)計分析葉輪轉(zhuǎn)速在17.4 r/min 與16.5 r/min 時的齒輪箱油溫情況,油溫隨時間變化如圖5所示。

圖5 B60號油溫與風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)速關(guān)系圖

Fig.5 Relation of No.B60 oil temperature and fan impeller speed

由圖5分析可知,當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)為17.4 r/min 時,齒輪箱油溫總的趨勢為隨著滿功率運(yùn)行時間的增加逐漸升高,最后較平穩(wěn)的保持在73.3 ℃左右;當(dāng)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限制到16.5 r/min 時,齒輪箱油溫的變化趨勢為較大幅度的下降,最后保持在70.8 ℃左右,即葉輪轉(zhuǎn)數(shù)從17.4 r/min 限制到16.5 r/min 后,在持續(xù)運(yùn)行的將近1 h的時間內(nèi),齒輪箱油溫由73.3 ℃降低到了70.8 ℃。可見,通過對風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)數(shù)的限制,齒輪箱油溫得到了很好的控制。

綜上所述,將葉輪轉(zhuǎn)數(shù)限制為16.5 r/min即輸出功率在1200～1300 kW運(yùn)行時,齒輪箱油溫能得到很好的控制。本次試驗最終確定啟動功率限制程序時的功率目標(biāo)值取1200 kW,即設(shè)定為Pref=80%P。

4 功率限制程序

4.1 啟動流程

當(dāng)風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫超限故障停機(jī)時,啟動功率限制程序,其啟動控制流程如圖6所示。

圖6 功率限制程序啟動流程

1) 齒輪箱油溫超限故障判斷次數(shù)為1次,齒輪箱油溫度>80 ℃且持續(xù)5 s時,風(fēng)機(jī)報出齒輪箱油溫超限故障。此時,由主控制器PLC判斷該故障出現(xiàn)次數(shù),判斷周期取最后1次功率限制程序解除的時刻算起,即最后1次功率限制程序解除至此時共發(fā)生次數(shù)。

當(dāng)PLC判斷故障次數(shù)為1時,風(fēng)機(jī)變槳制動停機(jī),齒輪箱油溫超限故障報警彈窗彈出,警鈴響。此時,允許風(fēng)機(jī)自行散熱,當(dāng)滿足風(fēng)機(jī)自行啟動條件時,風(fēng)機(jī)自行啟動;也可由運(yùn)行人員手動遠(yuǎn)程復(fù)位,啟動風(fēng)機(jī)。

2) 齒輪箱油溫超限故障判斷次數(shù)>1次,PLC判斷故障次數(shù)為大于1時(即為2次),齒輪箱油溫超限故障報警彈窗及功率限制程序啟動彈窗彈出,并伴有警鈴報警,風(fēng)機(jī)自動復(fù)位故障。此時,提醒運(yùn)行人員風(fēng)機(jī)因油溫超限故障啟動了功率限制程序,運(yùn)行人員應(yīng)做好記錄。功率限制程序啟動后,由功率控制器下發(fā)功率目標(biāo)值Pref,槳距角控制器控制變槳機(jī)構(gòu)改變槳葉角度,實現(xiàn)Pref功率目標(biāo)值的輸出。

4.2 功率限制程序調(diào)節(jié)過程

4.2.1 低于額定風(fēng)速

當(dāng)風(fēng)機(jī)因非齒輪箱油溫超限故障停機(jī)時,風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。只有風(fēng)機(jī)報出齒輪箱油溫超限故障時,按功率限制程序啟動流程判斷是否啟動。當(dāng)啟動時,取功率目標(biāo)值Pref=80%P*,80%P*作為功率目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)節(jié)。此時,變槳控制器根據(jù)主控制器下發(fā)的80%P*功率值控制槳葉進(jìn)行變槳調(diào)節(jié),變槳至合適的角度后,風(fēng)機(jī)恒功率80%P*輸出。同時,主控制器監(jiān)測單位周期內(nèi)Δt的變化,當(dāng)Δt≤0時,功率目標(biāo)值Pref按90%P*的功率下發(fā),重新進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)Δt>0,Pref按70%P*的功率下發(fā),重新調(diào)節(jié)。功率目標(biāo)值調(diào)節(jié)的大小為±10%P*。當(dāng)功率限制程序不啟動時,風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。

4.2.2 高于額定風(fēng)速

當(dāng)風(fēng)機(jī)因非齒輪箱油溫超限故障停機(jī)時,風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。只有風(fēng)機(jī)報出齒輪箱油溫超限故障時,按功率限制程序啟動流程判斷是否啟動。當(dāng)啟動時,取功率目標(biāo)值Pref=80%P=1200 kW進(jìn)行調(diào)節(jié)。變槳控制器根據(jù)主控制器下發(fā)的1200 kW功率指令,控制槳葉進(jìn)行收槳調(diào)節(jié),當(dāng)收槳至合適角度后,風(fēng)機(jī)保持1200 kW恒功率輸出。同時,主控制器監(jiān)測單位周期內(nèi)Δt的變化,當(dāng)Δt≤0時,功率目標(biāo)值Pref按90%P的功率下發(fā),重新進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)Δt>0,Pref按70%P的功率下發(fā),重新調(diào)節(jié)。功率目標(biāo)值調(diào)節(jié)的大小為±10%P。當(dāng)功率限制程序不啟動時,風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。功率調(diào)節(jié)過程如圖7所示。

4.3 功率限制程序的解除

設(shè)定功率目標(biāo)值為Pref,實際風(fēng)速為vwind,風(fēng)速下對應(yīng)的功率曲線功率值為P(即最大發(fā)電能力下的功率值),當(dāng)滿足以下條件且兩條件同時成立時,功率控制程序解除,啟動風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行主控程序:

1)Pref>P,即功率目標(biāo)值大于實際風(fēng)速下對應(yīng)的功率曲線功率值。

2)Pref>P持續(xù)時間大于10 min。

在功率限制程序解除時,風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)有風(fēng)機(jī)功率限制程序解除報警彈窗彈出,并伴有警鈴響,提醒運(yùn)行人員做好記錄,并安排故障風(fēng)機(jī)的現(xiàn)場處理。

圖7 功率調(diào)節(jié)過程

5 結(jié) 語

本文針對雙饋風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫超限故障下運(yùn)行控制問題,通過查閱大量資料,以及長期積累的現(xiàn)場經(jīng)驗,結(jié)合南高齒齒輪箱廠家的實驗數(shù)據(jù),提出了雙饋機(jī)組齒輪箱油溫超限情況下的自動運(yùn)行控制方法。計算出了減負(fù)荷控制系統(tǒng)的功率給定值,對故障機(jī)組進(jìn)行了故障溫升、減負(fù)荷控制試驗,并對功率限制程序啟動、控制及解除的整體工作過程也進(jìn)行了試驗。其試驗結(jié)果表明,齒輪箱油溫超限故障機(jī)組油溫穩(wěn)定,機(jī)組運(yùn)行正常,實現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。

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(責(zé)任編輯 侯世春)

Control strategy for doubly-fed wind turbine units operation under over-standard oil temperature

PAN Qiaobo1,LIU Yang2

(1. Northeast Dianli University, Jilin 132012; 2. Tianjin Longyuan Wind Power Co.，Ltd.，Tijin 300270)

In order to solve the over-standard oil temperature of the gearbox during the operation of doubly-fed turbine units, based on the principle of wind turbine failure analysis, this paper proposes the control strategy, the operation with automatically reduced load, after the oil temperature exceeds the standard. Taking the gearbox oil temperature failure of B60 unit in Longyuan Dagang Mapengkou wind farm as the study subject, this paper analyzes the actual operation data including the wind speed, impeller speed and gearbox oil temperature, on the basis of which works out, together with the text data provided by NGC, the target power control value when the oil temperature of gearbox exceeds the standard. The practice proves that this control strategy ensures the stable oil temperature and unit operation when the oil temperature of gearbox exceeds the standard.

doubly-fed units; gearbox failure; over-standard oil temperature; power limit

2015-02-21。

潘巧波(1993—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與新能源發(fā)電 。

TM315

A

2095-6843(2015)04-0360-04