雙饋風力發電機組聯軸器頻繁打滑問題的解決

劉吉輝 仇建喜

上海電氣風電集團股份有限公司 上海 200030

1 風力發電機組概述

風力發電是成本最低的溫室氣體減排技術之一,在能源安全和環境保護的推動下,全球風力發電迅速發展。

風力發電機將風能轉換為機械能,再將機械能轉換為電能,最終將電能接入電網。在雙饋風力發電機組中,聯軸器連接齒輪箱的輸出軸和發電機的輸入軸,將齒輪箱輸出的扭矩傳遞至發電機,帶動發電機轉動。聯軸器是風力發電機組傳動鏈中的關鍵部件,其工作性能直接影響風力發電機組的工作狀況。由于風力發電機組工作環境一般比較惡劣,運行工況非常復雜,聯軸器需要在高速、重載、振動、變扭矩、反復啟動等工況下,通過補償軸系的軸向、徑向、角位移等方式,來平衡風力發電機組因外部載荷的波動而產生的額外能量,實現兩軸間扭矩和運動的連續平穩傳遞。聯軸器還必須在風力發電機組發生短路或過載而自動打滑時保護風力發電機組,是風力發電機組中保證傳動和安全的核心部件[1]。

在實際應用中,由于機械和電氣系統的種種原因,風力發電機組的聯軸器會出現頻繁打滑甚至損壞等失效現象。某2 MW雙饋風力發電機組實際運行中,由于變流器接收的轉矩指令異常,導致聯軸器頻繁打滑。對此,筆者結合理論分析和實踐經驗,制訂了相應的改進措施,并驗證了整改的有效性。

2 故障機組簡介

2 MW雙饋風力發電機組系統拓撲如圖1所示。風力發電機轉子軸經聯軸器與機組傳動鏈連接,定子側經并網開關與電網電器連接,變流器網側與電網連接,變流器驅動和控制風力發電機輸出電磁轉矩,實現機械能至電能的轉換,并且準確執行風力發電機組主控的安全策略指令,保證風力發電機組電磁轉矩和機械轉矩穩定、平衡。當變流器控制風力發電機組電磁轉矩出現異常時,會對風力發電機組傳動鏈造成機械沖擊和過載。

圖1 2 MW雙饋風力發電機組系統拓撲

2 MW雙饋風力發電機組系統參數見表1。

表1 2 MW雙饋風力發電機組系統參數

3 聯軸器分析

2 MW雙饋風力發電機組聯軸器安裝示意圖如圖2所示。風力發電機組聯軸器由脹緊套、彈性元件、扭矩限制器、中間管、剎車盤構成[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電機齒輪箱,將葉片扭矩傳遞至聯軸器,脹緊套2的作用為連接風力發電機主軸,將聯軸器接收到的扭矩傳遞至風力發電機組。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,實現聯軸器各種軸向、徑向偏轉的扭轉和位移補償功能。扭矩限制器由輸入扭矩的主動盤和摩擦單元構成,當輸入扭矩大于聯軸器打滑扭矩限值時,通過摩擦單元打滑,可以對風力發電機組實施過載保護[3-4]。

圖2 聯軸器安裝示意圖

圖3 聯軸器結構

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

(1) 變流器異常工況導致風力發電機組電磁轉矩異常。

(2) 風力發電機組急停甩負載,對傳動鏈產生沖擊。

(3) 聯軸器質量問題。

當風力發電機組頻繁出現聯軸器打滑現象,并且累積到一定程度時,會導致聯軸器的打滑扭矩限值降低,進而造成更頻繁的打滑,最終影響風力發電機組正常發電。某聯軸器廠家給出的扭矩限制器打滑次數和打滑扭矩變化量關系如圖4所示。

圖4 聯軸器扭矩限制器打滑次數與打滑扭矩變化量關系

風力發電機組聯軸器現場打滑情況的標記如圖5所示。

圖5 聯軸器現場打滑情況標記

4 變流器轉矩異常分析

2 MW雙饋風力發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、輸出接口信號和數字輸入、輸出接口信號通過Profibus通信模塊轉換為Profibus通信接口信號,再與風力發電機組主控可編程序控制器通信。

圖6 2 MW雙饋風力發電機組主控與變流器通信接線

傳輸內容包括主控向變流器發送的開關機指令字、轉矩指令、無功指令和變流器向主控發送的變流器運行狀態字、轉矩反饋、無功反饋等信息。

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

圖7 變流器轉矩指令異常波動

5 改進措施

針對變流器與2 MW雙饋風力發電機組主控通信回路可能存在的接觸不良或器件虛焊,導致變流器轉矩指令接收異常等情況,檢查確認風力發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。為了盡可能減小此類異常情況對傳動鏈,特別是聯軸器的機械沖擊,升級變流器轉矩響應策略[9-10]。

當傳輸轉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,可根據現場不同實際情況適當調整。在確認故障前,變流器暫不響應接收到的異常轉矩指令,執行之前的轉矩指令。故障確認后,變流器慢速減載停機,減載速度為每秒20%額定轉矩。

當傳輸轉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矩指令差大于20%,報轉矩給定異常故障,通知主控減載停機。故障確認時間為200 ms,可根據現場不同實際情況適當調整。在確認故障前,變流器暫不響應接收到的異常轉矩指令,執行之前的轉矩指令。故障確認后,變流器慢速減載停機,減載速度為每秒20%額定轉矩。

6 現場驗證

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

7 結束語

雙饋風力發電機組是由電氣系統和機械系統組成的一個強耦合、復雜機電系統,現場分析風力發電機組聯軸器頻繁打滑問題,只能從聯軸器質量、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。