雙饋風(fēng)電機(jī)組油溫超限運(yùn)行的控制策略

潘巧波, 劉 楊

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

針對(duì)雙饋機(jī)組運(yùn)行中齒輪箱油溫超限的問(wèn)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(dòng)降負(fù)荷運(yùn)行控制策略。以龍?jiān)创蟾垴R棚口風(fēng)電場(chǎng)B60號(hào)機(jī)組齒輪箱油溫超限故障為研究對(duì)象,分析了其風(fēng)速、葉輪轉(zhuǎn)數(shù)、齒輪箱油溫等實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù),并結(jié)合南高齒廠家提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù),計(jì)算得出齒輪箱油溫超限時(shí)的功率控制目標(biāo)值。實(shí)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(guó)自20世紀(jì)80年代從國(guó)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(guò)程[1-2]中,由于進(jìn)口齒輪箱和前期國(guó)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(duì)風(fēng)電場(chǎng)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(lái)自齒輪箱的失效,齒輪箱的失效是導(dǎo)致故障時(shí)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(jià)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(duì)風(fēng)機(jī)的使用壽命影響很大。另一種是通過(guò)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(dòng)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(tái)故障率較低的風(fēng)機(jī)作為研究對(duì)象,按一定的統(tǒng)計(jì)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(dòng)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?cái)?shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)這些風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的溫度值,得出轉(zhuǎn)速與齒輪油溫的對(duì)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(duì)風(fēng)場(chǎng)現(xiàn)行控制策略進(jìn)行觀察和分析,通過(guò)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。現(xiàn)提出油溫超限時(shí)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(shí)際輸出功率,輸出變量;Pref為故障時(shí)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(duì)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(shí)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(guò)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(huì)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(chǎng)的實(shí)際工作中,當(dāng)某臺(tái)風(fēng)電機(jī)組多次發(fā)生齒輪箱油溫超限故障時(shí),運(yùn)行人員為了不使風(fēng)機(jī)停機(jī),就會(huì)采取臨時(shí)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(huì)得到控制,使風(fēng)機(jī)不停機(jī)。根據(jù)運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn),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(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)的功率輸出影響不大,對(duì)風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫的限制不明顯,很短時(shí)間后齒輪箱油溫超限故障就會(huì)再次報(bào)出;若將葉輪轉(zhuǎn)數(shù)降至16 r/min,此時(shí)對(duì)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(duì)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(huì)相對(duì)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(yàn)確定了選取的葉輪轉(zhuǎn)速數(shù)16.5 r/min,結(jié)合風(fēng)電場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)采集的B60號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù),分析確定啟動(dòng)功率限制程序時(shí)的功率目標(biāo)值Pref。

B60號(hào)風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)選取的時(shí)間段為2014年3月11日21時(shí)00分至3月12日04時(shí)00分。其中,2014年3月11日21時(shí)00分至3月12日03時(shí)06分風(fēng)機(jī)處于滿功率運(yùn)行。在3月12日03時(shí)07分手動(dòng)限制B60號(hào)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(shí)00分。B60號(hào)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(hào)風(fēng)機(jī)功率隨時(shí)間變化如圖4所示。

圖4 B60號(hào)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(dòng)功率限制程序時(shí)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(gè)組成部分為

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

(1)

式中:Pvs為齒輪在傳力時(shí)由于齒廓滑動(dòng)-滾動(dòng)而引起的摩擦損耗;Pvs0為齒輪的空載運(yùn)行損耗,即油浸潤(rùn)滑時(shí)的攪拌損耗和強(qiáng)制噴油潤(rùn)滑時(shí)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(shí)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(gè)組成部分時(shí),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(zhǎng)而正比例的變化,并隨著圓周速度v的增大而增大。Pvs0實(shí)際主要為攪拌損耗與風(fēng)阻損耗。由于各個(gè)功率損耗都以熱的形式散發(fā),潤(rùn)滑油作為傳遞介質(zhì),其溫度會(huì)上升,功率損耗減少時(shí)油溫會(huì)相應(yīng)的降低。因此,齒輪箱的輸入轉(zhuǎn)數(shù)降低時(shí),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(huì)減少,油溫也會(huì)相應(yīng)的降低。

依據(jù)B60號(hào)風(fēng)機(jī)所采數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析葉輪轉(zhuǎn)速在17.4 r/min 與16.5 r/min 時(shí)的齒輪箱油溫情況,油溫隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 B60號(hào)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(shí),齒輪箱油溫總的趨勢(shì)為隨著滿功率運(yùn)行時(shí)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(shí),齒輪箱油溫的變化趨勢(shì)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(shí)間內(nèi),齒輪箱油溫由73.3 ℃降低到了70.8 ℃。可見(jiàn),通過(guò)對(duì)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(shí),齒輪箱油溫能得到很好的控制。本次試驗(yàn)最終確定啟動(dòng)功率限制程序時(shí)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(dòng)流程

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

圖6 功率限制程序啟動(dòng)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(shí),風(fēng)機(jī)報(bào)出齒輪箱油溫超限故障。此時(shí),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(shí)刻算起,即最后1次功率限制程序解除至此時(shí)共發(fā)生次數(shù)。

當(dāng)PLC判斷故障次數(shù)為1時(shí),風(fēng)機(jī)變槳制動(dòng)停機(jī),齒輪箱油溫超限故障報(bào)警彈窗彈出,警鈴響。此時(shí),允許風(fēng)機(jī)自行散熱,當(dāng)滿足風(fēng)機(jī)自行啟動(dòng)條件時(shí),風(fēng)機(jī)自行啟動(dòng);也可由運(yùn)行人員手動(dòng)遠(yuǎn)程復(fù)位,啟動(dòng)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(shí)(即為2次),齒輪箱油溫超限故障報(bào)警彈窗及功率限制程序啟動(dòng)彈窗彈出,并伴有警鈴報(bào)警,風(fēng)機(jī)自動(dòng)復(fù)位故障。此時(shí),提醒運(yùn)行人員風(fēng)機(jī)因油溫超限故障啟動(dòng)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(dòng)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(shí)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(guò)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(shí),風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。只有風(fēng)機(jī)報(bào)出齒輪箱油溫超限故障時(shí),按功率限制程序啟動(dòng)流程判斷是否啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)時(shí),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(shí),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(shí),主控制器監(jiān)測(cè)單位周期內(nèi)Δt的變化,當(dāng)Δt≤0時(shí),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(dòng)時(shí),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(shí),風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。只有風(fēng)機(jī)報(bào)出齒輪箱油溫超限故障時(shí),按功率限制程序啟動(dòng)流程判斷是否啟動(dòng)。當(dāng)啟動(dòng)時(shí),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(shí),主控制器監(jiān)測(cè)單位周期內(nèi)Δt的變化,當(dāng)Δt≤0時(shí),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(dòng)時(shí),風(fēng)機(jī)按原主控程序控制邏輯運(yùn)行。功率調(diào)節(jié)過(guò)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(shí)際風(fēng)速為vwind,風(fēng)速下對(duì)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(shí)成立時(shí),功率控制程序解除,啟動(dòng)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(shí)際風(fēng)速下對(duì)應(yīng)的功率曲線功率值。

2)Pref>P持續(xù)時(shí)間大于10 min。

在功率限制程序解除時(shí),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(bào)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(chǎng)處理。

圖7 功率調(diào)節(jié)過(guò)程

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組齒輪箱油溫超限故障下運(yùn)行控制問(wèn)題,通過(guò)查閱大量資料,以及長(zhǎng)期積累的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn),結(jié)合南高齒齒輪箱廠家的實(shí)驗(yàn)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(dòng)運(yùn)行控制方法。計(jì)算出了減負(fù)荷控制系統(tǒng)的功率給定值,對(duì)故障機(jī)組進(jìn)行了故障溫升、減負(fù)荷控制試驗(yàn),并對(duì)功率限制程序啟動(dòng)、控制及解除的整體工作過(guò)程也進(jìn)行了試驗(yàn)。其試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了預(yù)期控制目標(biāo)。

[1] 陳新平.風(fēng)電裝備制造企業(yè)供應(yīng)鏈管理關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶:重慶大學(xué),2011. CHEN Xinping. Research on key technology in the supply chain management of wind turbine equipment manufacturing [D]. Chongqing: Chongqing University, 2011.

[2] 楊校生.風(fēng)力發(fā)電技術(shù)與風(fēng)電場(chǎng)工程[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2012. YANG Xiaosheng. Wind power generation and wind farm project [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2012.

[3] 王晶晶,吳曉玲.風(fēng)電齒輪箱的發(fā)展和技術(shù)分析[J].機(jī)械傳動(dòng),2008,32(6):5-6. WANG Jingjing, WU Xiaoling. Development and technical analysis of wind power gearbox [J]. Journal of Mechanical Transmission, 2008,32(6):5-6.

[4] 趙秦.多兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)行星齒輪箱的研究和行星齒輪的有限元分析[D].烏魯木齊:新疆農(nóng)業(yè)大學(xué),2009. ZHAO Qin. Study of planetary gearbox and finite element analysis of planetary gear for multi-megawatt in wind turbines [D]. Urumuqi: Xinjiang Agricultural University, 2009.

[5] 凌志斌,竇真蘭.風(fēng)力機(jī)電動(dòng)變槳系統(tǒng)[J].電力電子技術(shù),2011,45(8):101-103. LING Zhibin, DOU Zhenlan. Electrical pitch control system for wind turbine [J]. Power Electronics, 2011,45(8):101-103.

(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?yàn)殡娏﹄娮优c新能源發(fā)電 。

TM315

A

2095-6843(2015)04-0360-04