劉吉輝 仇建喜

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 上海 200030

1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組概述

風(fēng)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(hù)的推動(dòng)下,全球風(fēng)力發(fā)電迅速發(fā)展。

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

在實(shí)際應(yīng)用中,由于機(jī)械和電氣系統(tǒng)的種種原因,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的聯(lián)軸器會(huì)出現(xiàn)頻繁打滑甚至損壞等失效現(xiàn)象。某2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)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(duì)此,筆者結(jié)合理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),制訂了相應(yīng)的改進(jìn)措施,并驗(yàn)證了整改的有效性。

2 故障機(jī)組簡(jiǎn)介

2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸經(jīng)聯(lián)軸器與機(jī)組傳動(dòng)鏈連接,定子側(cè)經(jīng)并網(wǎng)開(kāi)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(dòng)和控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)機(jī)械能至電能的轉(zhuǎn)換,并且準(zhǔn)確執(zhí)行風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控的安全策略指令,保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩和機(jī)械轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定、平衡。當(dāng)變流器控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)異常時(shí),會(huì)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈造成機(jī)械沖擊和過(guò)載。

圖1 2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)拓?fù)?/p>

2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)參數(shù)

3 聯(lián)軸器分析

2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸器安裝示意圖如圖2所示。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸器由脹緊套、彈性元件、扭矩限制器、中間管、剎車盤(pán)構(gòu)成[2],如圖3所示。脹緊套共有兩個(gè),脹緊套1的作用為連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸,將聯(lián)軸器接收到的扭矩傳遞至風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。中間管為絕緣傳動(dòng)部件,主要用于絕緣和傳遞扭矩。彈性元件通過(guò)自身的變形,實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器各種軸向、徑向偏轉(zhuǎn)的扭轉(zhuǎn)和位移補(bǔ)償功能。扭矩限制器由輸入扭矩的主動(dòng)盤(pán)和摩擦單元構(gòu)成,當(dāng)輸入扭矩大于聯(lián)軸器打滑扭矩限值時(shí),通過(guò)摩擦單元打滑,可以對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)施過(guò)載保護(hù)[3-4]。

圖2 聯(lián)軸器安裝示意圖

圖3 聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)

對(duì)于投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,在不考慮設(shè)計(jì)因素的前提下,造成實(shí)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩異常。

(2) 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組急停甩負(fù)載,對(duì)傳動(dòng)鏈產(chǎn)生沖擊。

(3) 聯(lián)軸器質(zhì)量問(wèn)題。

當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(shí),會(huì)導(dǎo)致聯(lián)軸器的打滑扭矩限值降低,進(jìn)而造成更頻繁的打滑,最終影響風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸器現(xiàn)場(chǎng)打滑情況的標(biāo)記如圖5所示。

圖5 聯(lián)軸器現(xiàn)場(chǎng)打滑情況標(biāo)記

4 變流器轉(zhuǎn)矩異常分析

2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(hào)和數(shù)字輸入、輸出接口信號(hào)通過(guò)Profibus通信模塊轉(zhuǎn)換為Profibus通信接口信號(hào),再與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組主控可編程序控制器通信。

圖6 2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(kāi)關(guān)機(jī)指令字、轉(zhuǎn)矩指令、無(wú)功指令和變流器向主控發(fā)送的變流器運(yùn)行狀態(tài)字、轉(zhuǎn)矩反饋、無(wú)功反饋等信息。

通信回路可能會(huì)出現(xiàn)局部線纜接觸不良或器件虛焊等情況,當(dāng)這類情況發(fā)生在轉(zhuǎn)矩給定回路時(shí),變流器接收到的轉(zhuǎn)矩指令會(huì)出現(xiàn)異常波動(dòng),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(dòng),引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)矩在百毫秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)-22.27%～121.55%額定轉(zhuǎn)矩頻繁波動(dòng),對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈,特別是聯(lián)軸器的機(jī)械沖擊非常大,扭矩峰值達(dá)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(dòng)

5 改進(jìn)措施

針對(duì)變流器與2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(rèn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(duì)傳動(dòng)鏈,特別是聯(lián)軸器的機(jī)械沖擊,升級(jí)變流器轉(zhuǎn)矩響應(yīng)策略[9-10]。

當(dāng)傳輸轉(zhuǎn)矩給定的電流模擬量信號(hào)小于4 mA或大于20 mA時(shí),變流器報(bào)熱線斷線故障,通知主控減載停機(jī)。故障確認(rèn)時(shí)間為200 ms,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。在確認(rèn)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(rèn)后,變流器慢速減載停機(jī),減載速度為每秒20%額定轉(zhuǎn)矩。

當(dāng)傳輸轉(zhuǎn)矩給定的電流模擬量信號(hào)在4～20 mA之間時(shí),變流器相鄰兩次接收到的轉(zhuǎn)矩指令差大于20%,報(bào)轉(zhuǎn)矩給定異常故障,通知主控減載停機(jī)。故障確認(rèn)時(shí)間為200 ms,可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同實(shí)際情況適當(dāng)調(diào)整。在確認(rèn)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(rèn)后,變流器慢速減載停機(jī),減載速度為每秒20%額定轉(zhuǎn)矩。

6 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

針對(duì)某風(fēng)電場(chǎng)2 MW雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸器頻繁打滑問(wèn)題,采用筆者措施對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了改進(jìn),經(jīng)過(guò)小風(fēng)、大風(fēng)、陣風(fēng)等各種復(fù)雜工況運(yùn)行驗(yàn)證,確認(rèn)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(yǔ)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是由電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成的一個(gè)強(qiáng)耦合、復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)分析風(fēng)力發(fā)電機(jī)組聯(lián)軸器頻繁打滑問(wèn)題,只能從聯(lián)軸器質(zhì)量、打滑扭矩限值等純機(jī)械方面入手,常常無(wú)法解決問(wèn)題。筆者分析聯(lián)軸器頻繁打滑的原因,提供了新的改進(jìn)措施,取得了良好的效果。