振動對雙饋異步發(fā)電機的影響研究分析

文 | 魏家柱

隨著風電產業(yè)的發(fā)展，我國也經歷了從小機型到大機型、從純進口到完全自主設計制作的創(chuàng)新發(fā)展歷程。目前，我國市場上應用的主流機型為直驅風電機組和雙饋異步風電機組。雙饋異步發(fā)電機的冷卻方式主要為風冷式和水冷式，風冷式完全采用1排－2排排風扇將發(fā)電機的熱空氣通過散熱器排出機艙，水冷式采用冷卻液對發(fā)電機周體進行熱交換。本文通過對蒙東地區(qū)安裝在線振動檢測系統(tǒng)的400臺1.5MW機組的這兩種雙饋異步發(fā)電機的損壞情況進行統(tǒng)計對比，并分析研究振動對兩種散熱方式不同的雙饋異步發(fā)電機的影響。

水冷式和風冷式雙饋異步發(fā)電機損壞情況統(tǒng)計

本文對兩種不同散熱方式的雙饋異步發(fā)電機進行了連續(xù)5年的損壞情況統(tǒng)計，對比基于蒙東地區(qū)3個風電場的統(tǒng)計數據。每個風電場的維護方式基本相同、風況基本相同、自然環(huán)境均為低海拔草原環(huán)境、均屬于東北電網管轄區(qū)域限電情況基本相同。詳細統(tǒng)計如表1。

從表1的統(tǒng)計數據對比可以看出，1.5MW風電機組使用的水冷式雙饋異步發(fā)電機損壞率遠遠高于風冷式雙饋異步發(fā)電機。水冷式雙饋異步發(fā)電機每年的損壞率居高不下，給配有較多水冷式雙饋異步發(fā)電機風電場的生產經營帶來了較大的沖擊,生產經營成本呈上升趨勢。正是在這一背景下，我們開始對發(fā)電機損壞問題進行研究，并提出了振動對齒輪箱和發(fā)電機的影響關系。由此，我們開始對發(fā)電機的振動問題展開了多方面的研究論證。

經過討論分析，最終從四個方面就振動對機組發(fā)電機的影響進行了逐一分析論證。

齒輪箱與發(fā)電機的振動關系對比

一、振動采集數據形式及對比方式

本文均選取在線振動監(jiān)測儀采集的振動加速度值作為振動分析的基本量。然后，選取齒輪箱、發(fā)電機的不同測點進行比較。為了提高對比結果的可信度，我們對多個發(fā)電機進行采樣，然后將此測點的加速度值進行累加，并對各個測點相同數量的累加總值進行橫向比較。

計算公式舉例如下：

某測點累加總值=X1+X2+X3+······+Xn

圖1 雙饋異步風電機組的基本結構

表1 水冷式和風冷式雙饋異步發(fā)電機損壞情況統(tǒng)計表

Xn表示在相同轉速下（本文測點均在1600rpm取值）測點的振動加速度值，n表示共采集了n臺風電機組的振動加速度值，選取的風電機組數量越多，最后的對比誤差就越小。

振動測點測試數據統(tǒng)計舉例見表2。

圖1為雙饋異步風電機組的基本結構，從左側起為輪轂、主軸軸承、主軸、齒輪箱、聯軸器和發(fā)電機。圖1中發(fā)電機上半部分為風冷結構，水冷結構的雙饋異步發(fā)電機體積為風冷式的2/3。

二、兩種不同散熱方式的雙饋異步風電機組及其配置的齒輪箱振動對比

圖2對兩種不同散熱方式的雙饋異步風電機組及其配置的齒輪箱振動關系情況進行了比較。

經過對比分析得出兩點結果：

1. 從統(tǒng)計數據比對來看，FL風電機組齒輪箱高速軸振動總值較FL風電機組發(fā)電機驅動側振動總值要大，振動強度有從齒輪箱到發(fā)電機明顯減小的趨勢；可以得出，齒輪箱的振動經過聯軸器傳遞后振動強度消弱了，而發(fā)電機自身并未受到比齒輪箱側強度更大的振動沖擊。

2.從統(tǒng)計數據對比分析，SL風電機組的齒輪箱高速軸振動總值較SL風電機組的發(fā)電機驅動側振動總值小，振動強度有從齒輪箱到發(fā)電機明顯增大的趨勢；可以得出，發(fā)電機側受到比齒輪箱側傳遞的振動強度更大的振動沖擊，即發(fā)電機如果在振動方面出現問題自身的振動沖擊影響更大一些。

（一）SL風電機組齒輪箱與FL風電機組齒輪箱振動比較

由于SL風電機組配置的齒輪箱全部為兩級行星一級平行結構，FL風電機組配置的齒輪箱全部為一級行星兩級平行結構，所以我們需要對兩種齒輪箱的振動情況進行比較，如圖3所示。

圖2 FL和SL風電機組振動比較

表2 振動測點測試數據統(tǒng)計

圖3 FL和SL風電機組齒輪箱振動比較

圖4 水冷散熱式和風冷散熱式雙饋異步發(fā)電機比較

圖5 SL發(fā)電機損壞前和SL正常發(fā)電機振動比較

經過對這兩種齒輪箱振動監(jiān)測的數據進行統(tǒng)計比對，我們發(fā)現FL風電機組齒輪箱較SL風電機組齒輪箱的加速度沖擊幅值明顯較大，即FL風電機組齒輪箱受振動沖擊強于SL風電機組齒輪箱；另外，考慮FL風電機組更換發(fā)電機的數量極少，而SL風電機組更換發(fā)電機的數量較多，所以SL風電機組齒輪箱振動沖擊不應是造成SL風電機組發(fā)電機損壞的主要原因。

（二） SL風電機組發(fā)電機與FL風電機組發(fā)電機振動比較

我們對水冷散熱式和風冷散熱式兩種雙饋異步發(fā)電機進行比較，如圖4所示。

經過對蒙東地區(qū)3個風電場的共40臺發(fā)電機的3個測點的振動監(jiān)測數據進行統(tǒng)計比對，我們發(fā)現在整體上水冷式雙饋異步發(fā)電機的振動沖擊要高于風冷式雙饋異步發(fā)電機的振動沖擊，且振動總值遠遠高于風冷式雙饋異步發(fā)電機的振動總值，這個現象在這3個風電場均有表現，即水冷式發(fā)電機在同等轉速下振動強度大于風冷式發(fā)電機。

（三）水冷式發(fā)電機損壞前和正常運行水冷式發(fā)電機的振動比較

我們對發(fā)電機損壞前的振動情況和正常運行發(fā)電機的振動情況采集振動數據進行橫向比對，如圖5所示。

從圖5可以看出，由于振動檢測歷史數據存儲量有限，所以我們只采集到了6臺發(fā)電機損壞前的振動數據，同期正常運行發(fā)電機的抽樣數量為6臺。在這里我們對發(fā)電機3個采樣點的數據進行了振動值累加計算，比對結果顯示：發(fā)電機損壞前的振動總值略高于正常運行發(fā)電機的振動總值，即振動的增大對發(fā)電機損壞有一定影響；同時，考慮到圖5使用的數據量相對較少，不排除比對結果存在偏差的可能。

結語

綜合以上四個方面的振動數據統(tǒng)計和分析，我們有如下階段性結論：

SL風電機組發(fā)電機的確較FL風電機組發(fā)電機在運轉過程中振動幅值大，但引起SL風電機組發(fā)電機振動增大的主要因素不完全是齒輪箱，而是與SL風電機組發(fā)電機自身有一定關系。

SL風電機組發(fā)電機在損壞前的振動總值整體比正常運轉發(fā)電機的振動總值偏大，即振動的增大對發(fā)電機損壞有一定影響。