風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)探討

文 | 康濤，蔡安民

近年來(lái)，風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠面向國(guó)內(nèi)特定環(huán)境條件而設(shè)計(jì)開發(fā)的低風(fēng)速機(jī)組、高海拔機(jī)組、抗臺(tái)風(fēng)電機(jī)組與海上風(fēng)電機(jī)組如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，在填補(bǔ)市場(chǎng)空白的同時(shí)，也對(duì)新型風(fēng)電機(jī)組整機(jī)及部件的功能測(cè)試工作提出越來(lái)越高的要求。為了降低測(cè)試成本，一些基于有限元分析方法的仿真測(cè)試也被引入到風(fēng)電機(jī)組的測(cè)試工作中，但是對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的大型部件甚至整機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)而言，仿真測(cè)試所得結(jié)果數(shù)據(jù)的可信度與實(shí)際測(cè)試結(jié)果往往存在一定程度的偏差。測(cè)試環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性與經(jīng)濟(jì)性矛盾，需要不斷修正大型部件或整機(jī)的多體動(dòng)力學(xué)模型來(lái)解決，模型修正的主要依據(jù)是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。風(fēng)電場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最為可信，但是試驗(yàn)的輸入受到環(huán)境條件的限制，試驗(yàn)的可重復(fù)性差，并且對(duì)于待測(cè)機(jī)組（尤其是海上風(fēng)電機(jī)組）而言存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，這些因素嚴(yán)重制約了機(jī)組的風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試。為了在降低測(cè)試風(fēng)險(xiǎn)的前提下，提升仿真測(cè)試的準(zhǔn)確性，歐洲與美國(guó)的風(fēng)電技術(shù)研究機(jī)構(gòu)紛紛開發(fā)出多自由度大功率試驗(yàn)平臺(tái)，將大部分風(fēng)電場(chǎng)測(cè)試工作轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室中。

本文將簡(jiǎn)略介紹國(guó)外研究機(jī)構(gòu)目前在多自由度大功率試驗(yàn)平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)平臺(tái)）的研究進(jìn)展情況，進(jìn)而展開說(shuō)明試驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)方案。

國(guó)外研究進(jìn)展

目前，國(guó)外新能源研究機(jī)構(gòu)在試驗(yàn)平臺(tái)的技術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)發(fā)展到能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈進(jìn)行能量捕獲側(cè)的風(fēng)載仿真，即多自由度加載，并耦合電網(wǎng)側(cè)波動(dòng)載荷的大功率加載的技術(shù)程度。當(dāng)前已擁有具備這種全面耦合加載功能的試驗(yàn)平臺(tái)的國(guó)際研究機(jī)構(gòu)主要包括：德國(guó)Fraunhofer IWES研究所（7MW全功率試驗(yàn)臺(tái)）、德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)（1MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)）、丹麥LORC（10MW加速壽命測(cè)試平臺(tái)）、英國(guó)國(guó)家可再生能源中心（3MW機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)）、美國(guó)Clemson大學(xué)（7.5MW測(cè)試平臺(tái)與15MW測(cè)試平臺(tái)）等；同時(shí)還有一些試驗(yàn)平臺(tái)正在建設(shè)過(guò)程中，例如德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)（4MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)，計(jì)劃2014年底建成）、英國(guó)國(guó)家可再生能源中心（15MW機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)）。

其中，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)風(fēng)電驅(qū)動(dòng)技術(shù)中心開發(fā)的1MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)主要用于基于硬件在環(huán)及實(shí)時(shí)仿真的控制器設(shè)計(jì)驗(yàn)證，與機(jī)艙傳動(dòng)鏈和支撐結(jié)構(gòu)的多體動(dòng)力學(xué)建模研究，即通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)修正傳動(dòng)鏈與支撐結(jié)構(gòu)的模型；美國(guó)Clemson大學(xué)SCE&G能源創(chuàng)新中心開發(fā)的7.5MW測(cè)試平臺(tái)主要用于進(jìn)行傳動(dòng)鏈及支撐結(jié)構(gòu)的多自由度加載測(cè)試，15MW測(cè)試平臺(tái)中加入了電網(wǎng)模擬器，從而具備了仿真電網(wǎng)側(cè)波動(dòng)載荷的測(cè)試功能，使試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試功能更加全面；英國(guó)國(guó)家可再生能源中心開發(fā)的3MW機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)、丹麥LORC開發(fā)的10MW加速壽命測(cè)試平臺(tái)則主要是面向風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠的新型機(jī)組開發(fā)而建設(shè)的，Vestas的8MW樣機(jī)便是在LORC的10MW加速壽命測(cè)試平臺(tái)上進(jìn)行的可靠性測(cè)試。

試驗(yàn)平臺(tái)技術(shù)方案

針對(duì)風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠在大型部件及整機(jī)測(cè)試方面的需求，試驗(yàn)平臺(tái)應(yīng)當(dāng)具備以下幾項(xiàng)測(cè)試或試驗(yàn)功能：

（1）傳動(dòng)鏈（或機(jī)艙）的加速壽命測(cè)試；

（2）傳動(dòng)鏈（或機(jī)艙）、大型部件的可靠性測(cè)試；

（3）控制方法和電氣系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證；

（4）并網(wǎng)試驗(yàn)；

（5）有功功率與無(wú)功功率解耦試驗(yàn)；

（6）電能質(zhì)量分析；

（7）滿功率溫升試驗(yàn)；

（8）新型傳動(dòng)鏈性能試驗(yàn)驗(yàn)證。

參考國(guó)際研究機(jī)構(gòu)的開發(fā)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，若要實(shí)現(xiàn)以上測(cè)試試驗(yàn)功能，則試驗(yàn)平臺(tái)需由以下八部分組成：試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)、試驗(yàn)臺(tái)架、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（扭矩載荷）、多自由度加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。如圖1所示。下面分別對(duì)每個(gè)組成部分進(jìn)行說(shuō)明。

（一）試驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)

由于試驗(yàn)平臺(tái)及待測(cè)系統(tǒng)質(zhì)量密度大，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的扭矩與多自由度加載系統(tǒng)輸出的彎矩需要試驗(yàn)平臺(tái)下的地面支撐提供巨大的作用反力，常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室甚至工廠地面均無(wú)法滿足如此大的承載要求。因此，一般需要在試驗(yàn)平臺(tái)下翻開地面，澆筑混凝土，必要時(shí)配以鋼筋加強(qiáng)，以滿足試驗(yàn)平臺(tái)與待測(cè)系統(tǒng)的承載要求，如圖2所示。

（二）試驗(yàn)臺(tái)架

為了便于進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)各組成部分的安裝調(diào)整，并將試驗(yàn)平臺(tái)的重量較為均勻地施加于基礎(chǔ)，同時(shí)降低試驗(yàn)過(guò)程中的振動(dòng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的干擾，建議采用鑄鐵T型槽平臺(tái)作為試驗(yàn)平臺(tái)的整體臺(tái)架。

鑄鐵T型槽平臺(tái)：上面可以有T型槽，用來(lái)固定試驗(yàn)平臺(tái)及待測(cè)系統(tǒng)，清理試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的鐵屑或放以固定銷。并可根據(jù)技術(shù)要求預(yù)留地腳螺栓孔。鑄鐵T型槽平臺(tái)可以按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7947－1999加工制造，從而降低制造或采購(gòu)成本。鑄鐵T型槽平臺(tái)外形如圖3所示。

鑄鐵T型槽平臺(tái)適用領(lǐng)域：平臺(tái)也稱為發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試臺(tái)或發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工作臺(tái)。主要用于發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室，為發(fā)動(dòng)提供測(cè)試性能的基礎(chǔ)平臺(tái)，適用于各種產(chǎn)品的檢驗(yàn)工作，檢查零件的尺寸精度或行為偏差，并作精密劃線試驗(yàn)平臺(tái)在機(jī)械制造中也是不可缺少的基本工具。是傳動(dòng)鏈系統(tǒng)測(cè)試的重要工具。

鑄鐵T型槽平臺(tái)高強(qiáng)度鑄鐵HT200－300工作面硬度為HB170－240，經(jīng)過(guò)兩次人工處理（人工退火600度－700度和自然或振動(dòng)時(shí)效）使平臺(tái)的精度穩(wěn)定，耐磨性能好。

除了試驗(yàn)平臺(tái)整體支撐所需的試驗(yàn)臺(tái)架，試驗(yàn)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與多自由度加載系統(tǒng)還需要各配一套獨(dú)立的支撐臺(tái)架。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支撐臺(tái)架的功能是將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸高度調(diào)節(jié)到與待測(cè)系統(tǒng)同軸的空間位置，即調(diào)整驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的高度及其與地面夾角的角度，并且支撐臺(tái)架只承受驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的單個(gè)自由度作用反力，因此只需一個(gè)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的支撐平臺(tái)即可。圖4即為亞琛工業(yè)大學(xué)1MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支撐臺(tái)架模型。

多自由度加載系統(tǒng)在試驗(yàn)過(guò)程中由于受到不同方向的作用反力，因此其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度相對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支撐臺(tái)架而言要求更高，并且需要承受仿真風(fēng)載的交變載荷，圖5為亞琛工業(yè)大學(xué)1MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)的加載系統(tǒng)支撐臺(tái)架及模型。

圖1 全功率試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)成（試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)、液壓與冷卻系統(tǒng)未體現(xiàn)）

圖2 亞琛工業(yè)大學(xué)4MW全變頻機(jī)艙測(cè)試平臺(tái)基礎(chǔ)施工現(xiàn)場(chǎng)

圖3 鑄鐵T型槽平臺(tái)

圖4 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)支撐臺(tái)架

（三）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

試驗(yàn)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能與國(guó)內(nèi)目前常規(guī)的風(fēng)電機(jī)組功率試驗(yàn)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功能基本一致，結(jié)構(gòu)可采用傳統(tǒng)的三相異步電機(jī)+齒輪箱組合形式、直驅(qū)電機(jī)形式或液壓馬達(dá)形式。

三相異步電機(jī)+齒輪箱的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式在電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)領(lǐng)域應(yīng)用較廣，技術(shù)也相對(duì)更加成熟。但是用于減速的齒輪箱加大了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，增加驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間；為了補(bǔ)償由于齒輪箱造成的功率損耗，電機(jī)不得不增加功率以滿足全功率試驗(yàn)的功率需求；齒輪箱運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)的監(jiān)控裝置造成干擾，并引起巨大噪聲。

液壓馬達(dá)具有功率重量比大、調(diào)速范圍寬、響應(yīng)速度快、可以省去傳動(dòng)環(huán)節(jié)等優(yōu)點(diǎn)。但是需要為其專門配套液壓控制系統(tǒng)，而增加了故障發(fā)生概率，并且液壓系統(tǒng)的維護(hù)檢修工作相對(duì)機(jī)電系統(tǒng)更為復(fù)雜，尤其是液壓系統(tǒng)的泄露故障處理；液壓馬達(dá)的過(guò)載能力弱于驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而且同異步電機(jī)+齒輪箱結(jié)構(gòu)形式一樣存在噪聲大的問(wèn)題。

直驅(qū)電機(jī)本質(zhì)上是一種大力矩的永磁電機(jī)，它可以直接與負(fù)載連接。這種設(shè)計(jì)消除了所有機(jī)械傳動(dòng)部件，從而在根本上提高了機(jī)器的可靠性，減少了維護(hù)時(shí)間和費(fèi)用。通過(guò)消除機(jī)械傳動(dòng)帶來(lái)的柔性，直接驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)避免了對(duì)電機(jī)和負(fù)載進(jìn)行慣性匹配的困難。同時(shí)，定位和速度精度也可以提高多倍。直驅(qū)電機(jī)的聽覺(jué)噪聲相對(duì)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)形式降低很多。

結(jié)合目前國(guó)際上的風(fēng)電技術(shù)研究機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)平臺(tái)先進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，直驅(qū)電機(jī)正在逐步替代傳統(tǒng)的異步電機(jī)+齒輪箱的結(jié)構(gòu)形式，例如Fraunhofer IWES研究所的7MW全功率試驗(yàn)臺(tái)與2014年底計(jì)劃竣工的德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)的4MW全功率試驗(yàn)臺(tái)均采取了直驅(qū)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)形式（如圖6與圖7所示）。因此，針對(duì)聯(lián)合動(dòng)力1MW全功率試驗(yàn)臺(tái)建議采用直驅(qū)電機(jī)形式。

（四）多自由度加載系統(tǒng)

所謂多自由度加載系統(tǒng)，是指仿真待測(cè)系統(tǒng)在風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境中承受的來(lái)自各方向的力或力矩載荷。由于機(jī)艙具有偏航對(duì)風(fēng)功能，機(jī)艙在水平方向所受的徑向力很小可以忽略，而繞軸向的旋轉(zhuǎn)扭矩由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供，因此加載系統(tǒng)主要提供軸向力（風(fēng)力主載荷）、豎直方向的徑向力（風(fēng)輪重力載荷）、繞水平軸的彎矩（偏航產(chǎn)生的載荷）與繞豎直軸的彎矩（傾覆載荷）。以上四類載荷可以通過(guò)控制系統(tǒng)操縱的若干液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)，載荷大小根據(jù)機(jī)組載荷規(guī)范中的極限載荷與疲勞載荷分別施加，如圖8所示。

（五）電氣控制系統(tǒng)

圖5 多自由度加載系統(tǒng)支撐臺(tái)架

圖6 7MW全功率試驗(yàn)臺(tái)

圖7 4MW全功率試驗(yàn)臺(tái)

圖8 多自由度加載系統(tǒng)

圖9 試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)框架

圖10 交變載荷驅(qū)動(dòng)示意圖

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)電機(jī)組啟動(dòng)——滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)——停機(jī)連續(xù)過(guò)程的前端載荷仿真，葉片變槳工況下的載荷仿真，以及斷網(wǎng)或低電壓穿越等后端載荷仿真，試驗(yàn)平臺(tái)需要具備對(duì)待測(cè)系統(tǒng)施加交變載荷的能力。仿真交變載荷需要一套系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案，如圖9所示。

為實(shí)現(xiàn)交變軸向扭矩載荷，直驅(qū)電機(jī)前需有一套驅(qū)動(dòng)調(diào)速變頻器，用以實(shí)現(xiàn)軸向驅(qū)動(dòng)載荷的調(diào)速控制。同時(shí)為了將待測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的電能得到充分利用，需要將其送到驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)做動(dòng)力使用，需在調(diào)速變頻器前增加一個(gè)變壓器T1，同時(shí)在待測(cè)系統(tǒng)后和電網(wǎng)輸入端前分別增加一個(gè)變壓器T2與T3，以避免電網(wǎng)受到待測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的電能波動(dòng)干擾。如圖10所示。

（六）液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要用于加載系統(tǒng)提供動(dòng)力，由于多自由度加載系統(tǒng)需要仿真多變的風(fēng)力載荷，因此液壓系統(tǒng)需要油缸提供相應(yīng)的交變動(dòng)力。液壓系統(tǒng)的詳細(xì)方案需要根據(jù)載荷規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（七）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要用于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的直驅(qū)電機(jī)、調(diào)速變頻器、變壓器等發(fā)熱單元進(jìn)行冷卻。由于試驗(yàn)臺(tái)可以布置在廠房車間內(nèi)，所以可以采用效率較高的水冷方式。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，風(fēng)電機(jī)組多自由度大功率試驗(yàn)平臺(tái)的研發(fā)應(yīng)用已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際風(fēng)電產(chǎn)業(yè)技術(shù)領(lǐng)域的重要方向之一，歐美的多家研究機(jī)構(gòu)甚至已將其作為研發(fā)最新的超大功率風(fēng)電機(jī)組的試驗(yàn)認(rèn)證手段，并在不斷的改進(jìn)完善，因此針對(duì)中國(guó)風(fēng)能資源特點(diǎn)開發(fā)適合風(fēng)電機(jī)組的試驗(yàn)平臺(tái)也應(yīng)當(dāng)被提上議事日程。

試驗(yàn)平臺(tái)不僅可以用于風(fēng)電機(jī)組整機(jī)廠的新機(jī)型開發(fā)測(cè)試，還可以與認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作用于認(rèn)證測(cè)試方法研究，或是聯(lián)合國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈以及機(jī)艙模型進(jìn)行修正與優(yōu)化，進(jìn)而提升仿真測(cè)試的準(zhǔn)確性與可信度，并大幅降低試驗(yàn)成本。總之，試驗(yàn)平臺(tái)不僅可以為風(fēng)電機(jī)組的研發(fā)提供支撐，還可以成為風(fēng)電行業(yè)的一個(gè)利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。