大型風力發電機對拖試驗臺開發

2022-09-03 01:44:58朱志權張元果巖

電器工業 2022年7期

朱志權張元果巖

（1.上海電氣風電集團股份有限公司 2.機械工業北京電工技術經濟研究所）

0 引言

隨著國家規劃的推動，福建、兩廣、江蘇等沿海省份相繼出爐“十四五”海上風電發展規劃，足以證明國家對海上風電發展的重視以及實現碳中和所做的努力。海上風資源豐富，開發大容量機組風場比小容量風場成本降低不少，因此整機廠家為適應市場需求加大了研發技術投入，相繼實現容量突破，10MW、13MW等大型風力機組應運而生。但如何保障機組的研發質量是當務之急，因此相應的大型風力發電機試驗臺開發提上日程。本文闡述了試驗臺架的原理和基本結構，重點介紹驅動系統、連接耦合器、控制系統等各子系統部件。

1 技術方案

1.1 目標

試驗臺能力：容量10MW+；電壓690V、1140V。

主要試驗項目：滿功率溫升試驗、轉速功率曲線、過載試驗。

1.2 結構形式

借鑒國內外研究機構和整機廠家的開發經驗。試驗臺由試驗臺架、電氣系統、驅動系統、連接耦合器、冷卻系統、控制系統、測量系統、電網適應性設備等組成。

由于采用發電機對拖的方式，則拖動機和被試發電機均采用同一型號產品，示意圖如圖1所示。

圖1 結構圖

1.3 工藝方案

1.3.1 試驗平臺

試驗平臺由基礎和鑄鐵平臺組成，如圖2所示。

圖2 試驗臺基礎

樁：提供試驗平臺上所有設備重量和被試品輸出最大扭矩的反作用力。因此普通地面需進行單獨特殊處理增強樁的數量，滿足試驗系統的承載要求。

混凝土基礎：主要承受驅動系統的輸出扭矩。將力均勻地分散到整個混凝土基礎上。因此里面布滿了足夠的鋼筋，增加強度。在表面預留與鑄鐵平臺的接口。

隔振棉：防止驅動系統及待測產品轉動時產生振動影響周邊建筑物，因此在混凝土基礎與周邊地面之間用隔振棉做隔振。

鑄鐵平臺：為了便于試驗設備安裝的靈活性和將試驗設備的重量均勻分散施加到基礎上，采用長方形的鑄鐵T型槽平臺作為整體臺架。鑄鐵平臺具有較好的平面穩定性、韌性和耐磨性，表面帶有T型槽，可用來固定試驗設備，制造工藝和成本相對容易，是傳動鏈安裝必備的重要工裝。

1.3.2 電氣系統

電氣系統是提供穩定試驗電源并在試驗過程進行保護的系統，如圖3所示。

圖3 電氣系統單線圖

（1）電氣結構

本方案采用變壓器隔離的方式將拖動與被試側分開，保障兩側的電源互不影響。

圖3中，T1為進線電源變壓器，T2為拖動側輸入變壓器，T3為被試側輸出變壓器，通過T2、T3變壓器在一次側實現能量回饋。

T1為進線變壓器，一次側為10kV，二次側為35kV；T2、T3變壓器一次側35kV，二次側分690V、1140V；可適配不同產品變流器的需求。

若需要電網模擬器投入線路時，T3上端開關柜斷開，從電網模擬器回路流過；若不使用時，T3上端開關柜閉合，電網模擬器斷開。

容量計算：從末端變流器功率開始依次往前除以各設備效率，得到依次各設備的容量，如圖4所示。

圖4 容量計算

（2）電網濾波

由于發電機是感性負載，常常會污染電網，因此在電網進線端配備濾波裝置確保電網的電能質量，從而保障試驗電源干凈，如圖5所示。

圖5 濾波

推薦采用無功補償裝置（簡稱SVG）；SVG采用電源模塊進行無功補償，補償效果好，功率因數一般在0.98以上；補償時間快，一般在5~20ms就能完成一次補償。另外SVG不產生諧波更不會放大諧波，并且可以濾除50%以上的諧波。

1.3.3 電網模擬器

（1）功能

電網適應性設備提供風電發電機試驗需要的電網電壓波動、頻率波動、三相電壓不平衡、閃變與諧波等電網擾動電網的工況。從而驗證風電發電機的運行能力和保護配置的一項風電并網試驗檢測行為。

電網適應性設備放置變流器網側，其裝置的運行條件和主要技術指標應滿足：

1）測試裝置的額定容量不小于待測產品的額定容量；

2）測試裝置接入電網產生的影響應在國家標準允許的范圍內；

3）測試裝置進行空載測試時輸出的電壓偏差、頻率偏差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變及諧波電壓等性能指標與負載測試時的最大允許偏差見表1。

表1 偏差表

（2）參數

按照GB/T19963《風電場接入電力系統技術規定》內范圍為－0.95~＋0.95，根據公式Q/P=tan（acos0.95）=0.33pu，考慮余量，建議選擇0.5pu，得出容量

1.3.4 驅動系統

驅動系統由變頻器和拖動電機組成。

變頻器主要由整流（交流變直流）、濾波、逆變（直流變交流）、制動單元、驅動單元、檢測單元微處理單元組成，如圖6所示。

圖6 變頻器結構圖

變頻器選型注意事項：

1）變頻器從能量回饋以及能耗制動，四象限比較合適；

2）變頻器功率與電機功率相當最合適，但應略大于電機的功率；

3）考慮電機頻繁啟動，可選取大點的變頻器，利于變頻器長期安全地運行；

4）變頻器電流應略大于電機的負載電流。

變頻器控制方式：電壓空間矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接轉矩控制（DTC）方式、正弦脈沖調制（SPWM）控制方式和矩陣式交-交控制方式；根據不同的運用場景，選用不同的控制方式。ABB采用直接轉矩控制，安川采用矩陣式交-交控制方式，其余廠家使用剩余兩種控制方式。

1.3.5 聯軸器

聯軸器的目的是用于兩個部件的連接，作用是對兩個不在同一軸線的部件進行位移補償和緩沖。看似簡單的機械連接器如何進行選型。聯軸器分剛性聯軸器和撓性聯軸器。剛性聯軸器不具備緩沖和補償功能，直接機械連接，安裝精度要求高，損耗小。撓性聯軸器又分無彈性和有彈性：無彈性只有補償位移的作用，無緩沖減振。由于要測量輸入的扭矩，若采用彈性撓性聯軸器則對測量結果有影響，因此采用無彈性撓性聯軸器，常見的有滑塊聯軸器、齒式聯軸器和萬向聯軸器，如圖7所示。