劉吉輝 仇建喜

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200030

1 風力發(fā)電機組概述

風力發(fā)電是成本最低的溫室氣體減排技術(shù)之一,在能源安全和環(huán)境保護的推動下,全球風力發(fā)電迅速發(fā)展。

風力發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)換為機械能,再將機械能轉(zhuǎn)換為電能,最終將電能接入電網(wǎng)。在雙饋風力發(fā)電機組中,聯(lián)軸器連接齒輪箱的輸出軸和發(fā)電機的輸入軸,將齒輪箱輸出的扭矩傳遞至發(fā)電機,帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動。聯(lián)軸器是風力發(fā)電機組傳動鏈中的關(guān)鍵部件,其工作性能直接影響風力發(fā)電機組的工作狀況。由于風力發(fā)電機組工作環(huán)境一般比較惡劣,運行工況非常復(fù)雜,聯(lián)軸器需要在高速、重載、振動、變扭矩、反復(fù)啟動等工況下,通過補償軸系的軸向、徑向、角位移等方式,來平衡風力發(fā)電機組因外部載荷的波動而產(chǎn)生的額外能量,實現(xiàn)兩軸間扭矩和運動的連續(xù)平穩(wěn)傳遞。聯(lián)軸器還必須在風力發(fā)電機組發(fā)生短路或過載而自動打滑時保護風力發(fā)電機組,是風力發(fā)電機組中保證傳動和安全的核心部件[1]。

在實際應(yīng)用中,由于機械和電氣系統(tǒng)的種種原因,風力發(fā)電機組的聯(lián)軸器會出現(xiàn)頻繁打滑甚至損壞等失效現(xiàn)象。某2 MW雙饋風力發(fā)電機組實際運行中,由于變流器接收的轉(zhuǎn)矩指令異常,導(dǎo)致聯(lián)軸器頻繁打滑。對此,筆者結(jié)合理論分析和實踐經(jīng)驗,制訂了相應(yīng)的改進措施,并驗證了整改的有效性。

2 故障機組簡介

2 MW雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)拓撲如圖1所示。風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子軸經(jīng)聯(lián)軸器與機組傳動鏈連接,定子側(cè)經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)與電網(wǎng)電器連接,變流器網(wǎng)側(cè)與電網(wǎng)連接,變流器驅(qū)動和控制風力發(fā)電機輸出電磁轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)機械能至電能的轉(zhuǎn)換,并且準確執(zhí)行風力發(fā)電機組主控的安全策略指令,保證風力發(fā)電機組電磁轉(zhuǎn)矩和機械轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、平衡。當變流器控制風力發(fā)電機組電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)異常時,會對風力發(fā)電機組傳動鏈造成機械沖擊和過載。

圖1 2 MW雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)拓撲

2 MW雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 2 MW雙饋風力發(fā)電機組系統(tǒng)參數(shù)

3 聯(lián)軸器分析

2 MW雙饋風力發(fā)電機組聯(lián)軸器安裝示意圖如圖2所示。風力發(fā)電機組聯(lián)軸器由脹緊套、彈性元件、扭矩限制器、中間管、剎車盤構(gòu)成[2],如圖3所示。脹緊套共有兩個,脹緊套1的作用為連接風力發(fā)電機齒輪箱,將葉片扭矩傳遞至聯(lián)軸器,脹緊套2的作用為連接風力發(fā)電機主軸,將聯(lián)軸器接收到的扭矩傳遞至風力發(fā)電機組。中間管為絕緣傳動部件,主要用于絕緣和傳遞扭矩。彈性元件通過自身的變形,實現(xiàn)聯(lián)軸器各種軸向、徑向偏轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)和位移補償功能。扭矩限制器由輸入扭矩的主動盤和摩擦單元構(gòu)成,當輸入扭矩大于聯(lián)軸器打滑扭矩限值時,通過摩擦單元打滑,可以對風力發(fā)電機組實施過載保護[3-4]。

圖2 聯(lián)軸器安裝示意圖

圖3 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

對于投運時間較長的風力發(fā)電機組,在不考慮設(shè)計因素的前提下,造成實際輸入扭矩大于聯(lián)軸器打滑扭矩限值的情況主要有三種[5-7]。

(1) 變流器異常工況導(dǎo)致風力發(fā)電機組電磁轉(zhuǎn)矩異常。

(2) 風力發(fā)電機組急停甩負載,對傳動鏈產(chǎn)生沖擊。

(3) 聯(lián)軸器質(zhì)量問題。

當風力發(fā)電機組頻繁出現(xiàn)聯(lián)軸器打滑現(xiàn)象,并且累積到一定程度時,會導(dǎo)致聯(lián)軸器的打滑扭矩限值降低,進而造成更頻繁的打滑,最終影響風力發(fā)電機組正常發(fā)電。某聯(lián)軸器廠家給出的扭矩限制器打滑次數(shù)和打滑扭矩變化量關(guān)系如圖4所示。

圖4 聯(lián)軸器扭矩限制器打滑次數(shù)與打滑扭矩變化量關(guān)系

風力發(fā)電機組聯(lián)軸器現(xiàn)場打滑情況的標記如圖5所示。

圖5 聯(lián)軸器現(xiàn)場打滑情況標記

4 變流器轉(zhuǎn)矩異常分析

2 MW雙饋風力發(fā)電機組主控與變流器通信接線如圖6所示。在變流器柜中,先將變流器輸出的模擬輸入、輸出接口信號和數(shù)字輸入、輸出接口信號通過Profibus通信模塊轉(zhuǎn)換為Profibus通信接口信號,再與風力發(fā)電機組主控可編程序控制器通信。

圖6 2 MW雙饋風力發(fā)電機組主控與變流器通信接線

傳輸內(nèi)容包括主控向變流器發(fā)送的開關(guān)機指令字、轉(zhuǎn)矩指令、無功指令和變流器向主控發(fā)送的變流器運行狀態(tài)字、轉(zhuǎn)矩反饋、無功反饋等信息。

通信回路可能會出現(xiàn)局部線纜接觸不良或器件虛焊等情況,當這類情況發(fā)生在轉(zhuǎn)矩給定回路時,變流器接收到的轉(zhuǎn)矩指令會出現(xiàn)異常波動,如圖7所示?？梢钥闯?變流器接收到的轉(zhuǎn)矩指令出現(xiàn)異常波動,引起風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)矩在百毫秒級的時間內(nèi)出現(xiàn)-22.27%～121.55%額定轉(zhuǎn)矩頻繁波動,對風力發(fā)電機組傳動鏈,特別是聯(lián)軸器的機械沖擊非常大,扭矩峰值達到143.82%額定轉(zhuǎn)矩,非常接近聯(lián)軸器的打滑扭矩限值,造成聯(lián)軸器頻繁打滑。

圖7 變流器轉(zhuǎn)矩指令異常波動

5 改進措施

針對變流器與2 MW雙饋風力發(fā)電機組主控通信回路可能存在的接觸不良或器件虛焊,導(dǎo)致變流器轉(zhuǎn)矩指令接收異常等情況,檢查確認風力發(fā)電機組主控與變流器通信回路接線及器件是否存在虛焊等接觸不良情況,從根源處避免類似情況出現(xiàn)。為了盡可能減小此類異常情況對傳動鏈,特別是聯(lián)軸器的機械沖擊,升級變流器轉(zhuǎn)矩響應(yīng)策略[9-10]。

當傳輸轉(zhuǎn)矩給定的電流模擬量信號小于4 mA或大于20 mA時,變流器報熱線斷線故障,通知主控減載停機。故障確認時間為200 ms,可根據(jù)現(xiàn)場不同實際情況適當調(diào)整。在確認故障前,變流器暫不響應(yīng)接收到的異常轉(zhuǎn)矩指令,執(zhí)行之前的轉(zhuǎn)矩指令。故障確認后,變流器慢速減載停機,減載速度為每秒20%額定轉(zhuǎn)矩。

當傳輸轉(zhuǎn)矩給定的電流模擬量信號在4～20 mA之間時,變流器相鄰兩次接收到的轉(zhuǎn)矩指令差大于20%,報轉(zhuǎn)矩給定異常故障,通知主控減載停機。故障確認時間為200 ms,可根據(jù)現(xiàn)場不同實際情況適當調(diào)整。在確認故障前,變流器暫不響應(yīng)接收到的異常轉(zhuǎn)矩指令,執(zhí)行之前的轉(zhuǎn)矩指令。故障確認后,變流器慢速減載停機,減載速度為每秒20%額定轉(zhuǎn)矩。

6 現(xiàn)場驗證

針對某風電場2 MW雙饋風力發(fā)電機組聯(lián)軸器頻繁打滑問題,采用筆者措施對現(xiàn)場風力發(fā)電機組進行了改進,經(jīng)過小風、大風、陣風等各種復(fù)雜工況運行驗證,確認有效避免了變流器接收異常轉(zhuǎn)矩指令而導(dǎo)致的聯(lián)軸器頻繁打滑。

7 結(jié)束語

雙饋風力發(fā)電機組是由電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成的一個強耦合、復(fù)雜機電系統(tǒng),現(xiàn)場分析風力發(fā)電機組聯(lián)軸器頻繁打滑問題,只能從聯(lián)軸器質(zhì)量、打滑扭矩限值等純機械方面入手,常常無法解決問題。筆者分析聯(lián)軸器頻繁打滑的原因,提供了新的改進措施,取得了良好的效果。