2MW高速永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)組整機(jī)試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果研究

曹杰，薛獎(jiǎng)為，楊陽，趙安安，張愛明

（北京京城新能源（酒泉）裝備有限公司，甘肅 酒泉 735000）

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，作為風(fēng)能利用的主要形式，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前最成熟、最具規(guī)?；_發(fā)條件和商業(yè)化發(fā)展前景的可再生能源發(fā)電方式之一。整機(jī)試驗(yàn)是在機(jī)組生產(chǎn)完工后，對被試機(jī)組的功能模塊、傳感器、并脫網(wǎng)特性、溫度特性、功率曲線等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行考核鑒定的試驗(yàn)過程。試驗(yàn)過程對整機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，對機(jī)組的發(fā)電能力進(jìn)行評估，因此，整機(jī)試驗(yàn)是未來機(jī)組在風(fēng)場運(yùn)行能力的一個(gè)前期評估，是風(fēng)電機(jī)組生產(chǎn)制造的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)

（1）試驗(yàn)設(shè)備。①H型極聯(lián)式多電平額定輸出4600kVA高壓變頻器2臺(tái)，作為能量回饋拖動(dòng)電源；②3600kW變頻調(diào)速異步拖動(dòng)電機(jī)2臺(tái)，拖動(dòng)容量為7200kW，做為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源；③測控系統(tǒng)采用了Anyway寬帶傳感器及其功率分析系統(tǒng)；④設(shè)備運(yùn)行控制軟件，為自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、分析、計(jì)算的軟件；⑤完整、齊全的所有設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)控系統(tǒng)。

1.2 傳動(dòng)鏈結(jié)構(gòu)（圖1）

圖1 試驗(yàn)臺(tái)傳動(dòng)鏈簡易圖

整機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室或總裝廠的試驗(yàn)臺(tái)上對整機(jī)進(jìn)行的模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)前整機(jī)應(yīng)處于正常狀態(tài)，除葉片、塔架以及機(jī)艙罩殼外，整機(jī)的所有零部件均已安裝完畢。試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電、調(diào)速、調(diào)功率和轉(zhuǎn)矩控制。試驗(yàn)臺(tái)由一臺(tái)異步電機(jī)經(jīng)過減速齒輪箱后，拖動(dòng)整機(jī)機(jī)艙旋轉(zhuǎn)，模擬風(fēng)輪，在機(jī)艙內(nèi)部，經(jīng)過齒輪箱升速帶動(dòng)傳動(dòng)軸，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。

2 試驗(yàn)部分（試驗(yàn)項(xiàng)目及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析）

整機(jī)型式試驗(yàn)是指根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)（IEC 61400-11-2006、IEC 61400-12-2005、IEC 61400-13-2001 及IEC 61400-21-2008）要求的測試儀器，采集整機(jī)在不同試驗(yàn)要求下的運(yùn)行參數(shù)和性能參數(shù)，并針對測試結(jié)果與設(shè)計(jì)、仿真結(jié)果對比分析，從而評估整機(jī)性能的試驗(yàn)。型式試驗(yàn)必須在滿足電網(wǎng)條件要求的情況下進(jìn)行，電網(wǎng)條件要求如下：一是電網(wǎng)電壓的波動(dòng)范圍在±10%范圍之內(nèi)；二是電網(wǎng)頻率的波動(dòng)范圍在±2%范圍之內(nèi)；三是電網(wǎng)電壓負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時(shí)不超過4%。具體試驗(yàn)條件應(yīng)滿足相應(yīng)測試標(biāo)準(zhǔn)的要求。本次試驗(yàn)為低溫型機(jī)組，海拔高度1500m，不屬于高海拔，相對濕度小于95%，環(huán)境溫度20℃左右。

2.1 2MW高速永磁整機(jī)的出廠試驗(yàn)

（1）試驗(yàn)前的準(zhǔn)備。按照整機(jī)裝配工藝完成機(jī)組裝配，包括發(fā)電機(jī)冷卻管路和齒輪箱冷卻的裝配；按照機(jī)組功能調(diào)試的要求，完成整機(jī)的功能調(diào)試工作；變流器與發(fā)電機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，確保變流器可以正常工作；按照試驗(yàn)臺(tái)方案，將整機(jī)和所有的附屬設(shè)備吊裝完成；吊裝完成后，連接發(fā)電機(jī)動(dòng)力電纜至變流器，將變流器到主控塔基控制柜的通信線纜連接完成；連接變流冷卻系統(tǒng)管路及控制線，并經(jīng)行調(diào)試；變流器斷路器提供常開/常閉信號，試驗(yàn)期間試驗(yàn)站監(jiān)測該信號，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行期間如遇故障造成停機(jī)，試驗(yàn)站通過變流器斷路器的信號變化將拖動(dòng)系統(tǒng)停機(jī)或調(diào)節(jié)拖動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)安全。

（2）2MW高速永磁整機(jī)空載拖動(dòng)試驗(yàn)。整機(jī)完成上電檢查和功能調(diào)試的工作后，將整機(jī)轉(zhuǎn)速拖動(dòng)至并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，檢查整機(jī)的輔助部分以及傳感器部件能否正常工作，是否滿足設(shè)計(jì)要求。空載拖動(dòng)試驗(yàn)的最高轉(zhuǎn)速1400r/min，試驗(yàn)時(shí)間30min，環(huán)境溫度30℃，首先啟動(dòng)拖動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)速升至300rpm，持續(xù)旋轉(zhuǎn)5min，檢查各執(zhí)行機(jī)構(gòu)及潤滑系統(tǒng)的工作狀態(tài)和反饋是否正常，檢查機(jī)組的振動(dòng)情況，檢查試驗(yàn)臺(tái)的振動(dòng)是否正常，檢查發(fā)電機(jī)水冷系統(tǒng)是否正常，并記錄；轉(zhuǎn)速逐步增加，每次提高150rpm，重復(fù)檢查，直至達(dá)到機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速1400r/min，保持旋轉(zhuǎn)30min。

（3）2MW高速永磁整機(jī)空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：發(fā)電機(jī)繞組位于49．8～53．7℃之間，符合機(jī)組技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)要求；發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、非驅(qū)動(dòng)端的溫度分別為29．6℃和36．8℃，均小于設(shè)計(jì)上限80℃；齒輪箱各軸承的溫度分別分布在25．6～65．4℃之間，均小于設(shè)計(jì)上限75℃；齒輪箱潤滑油的溫度為38．4℃，小于設(shè)定值75℃；徑向與軸向震動(dòng)分別為0．9mm/s和1．5mm/s，均小于設(shè)計(jì)要求 2．3mm/s；上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)論符合機(jī)組的設(shè)計(jì)要求。

2.2 2MW高速永磁整機(jī)型式試驗(yàn)

（1）2MW高速永磁整機(jī)拖動(dòng)并網(wǎng)負(fù)載試驗(yàn)。啟動(dòng)拖動(dòng)機(jī)，將機(jī)組拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速1400rpm，檢查并記錄各部套的狀態(tài)，記錄各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)。開始并網(wǎng)試驗(yàn)，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速拖至并網(wǎng)轉(zhuǎn)速500rpm后，起動(dòng)網(wǎng)側(cè)、合定子開關(guān)、起動(dòng)機(jī)側(cè)并網(wǎng)，記錄數(shù)據(jù)；500rpm并網(wǎng)后，通過改變扭矩進(jìn)而增加負(fù)載，每增加一次負(fù)載運(yùn)行約2min，記錄數(shù)據(jù)，觀察各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)是否運(yùn)行正常并記錄，直至達(dá)到滿載狀態(tài)。

（2）2MW高速永磁整機(jī)拖動(dòng)并網(wǎng)負(fù)載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)轉(zhuǎn)速1400r/min，最大試驗(yàn)加載轉(zhuǎn)矩14633N·m，輸出電壓715．3V，輸出電能頻率50Hz，發(fā)電機(jī)全功率電流2163．4A,機(jī)械振動(dòng)限值Y2．3/Z2．3mm/s，測量值 2．2/1．9mm/s，符合技術(shù)要求。

（3）2MW高速永磁整機(jī)全功率實(shí)驗(yàn)電能質(zhì)量。電能質(zhì)量與供電、用電系統(tǒng)及其設(shè)備正常工作（或運(yùn)行）的電壓、電流的各種指標(biāo)偏離規(guī)定范圍的程度息息相關(guān)。電能質(zhì)量試驗(yàn)主要包括：整機(jī)諧波的測量、閃變、有功和無功控制、電壓不平衡度、電壓波動(dòng)以及整機(jī)的電網(wǎng)保護(hù)等。

（4）2MW高速永磁整機(jī)全功率實(shí)驗(yàn)電能數(shù)據(jù)分析。在整機(jī)并網(wǎng)發(fā)電前，需保證在整機(jī)輸出端測量的值到50次諧波的電壓總諧波畸變率10min平均值應(yīng)小于5%；電網(wǎng)頻率的0．2s平均值應(yīng)在額定頻率的±1%范圍內(nèi)，并且測量所得電網(wǎng)頻率變化率的0．2s平均值應(yīng)小于額定頻率的0．2%；整機(jī)輸出端得到的電壓10min平均值應(yīng)在額定值的±10%范圍內(nèi)；整機(jī)輸出端測量得到的電壓不平衡度10min平均值應(yīng)小于2%，定子的電壓電流均滿足設(shè)計(jì)要求，網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)參數(shù)符合DB62T 2419-2014標(biāo)準(zhǔn)要求。

按照標(biāo)準(zhǔn)IEC 61400-21-2008的要求，對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，從而得出電壓波動(dòng)、閃變、諧波、功率控制等數(shù)據(jù)，然后將測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12326-2008以及標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993進(jìn)行比較，從而確定整機(jī)輸出的電能是否符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

（5）2MW高速永磁整機(jī)功率特性曲線。功率曲線是整機(jī)的設(shè)計(jì)依據(jù)，也是考核機(jī)組性能、評估機(jī)組發(fā)電能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，功率曲線也是衡量整臺(tái)機(jī)組經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的最佳尺度。設(shè)備交付時(shí)，首先要提交機(jī)組的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線；如果機(jī)組運(yùn)行過程中測試得到的功率曲線超出設(shè)計(jì)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)功率曲線，將使整機(jī)處于過負(fù)荷狀態(tài)，影響機(jī)組的壽命；如果實(shí)際測試功率曲線低于標(biāo)準(zhǔn)功率曲線時(shí)，將對機(jī)組的發(fā)電量產(chǎn)生影響，正確進(jìn)行功率曲線的計(jì)算、測試以及修正，將對風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目的實(shí)際收益周期產(chǎn)生巨大的影響。

（6）2MW高速永磁整機(jī)功率特性曲線分析（圖2）。

圖2 整機(jī)功率特性曲線

由試驗(yàn)平臺(tái)主控臺(tái)給出試驗(yàn)的開始信號，啟動(dòng)、升速、并網(wǎng)均可自動(dòng)完成，之后由控制室向變頻器和變流器發(fā)出操作指令，按照指定的功率曲線發(fā)電，直至達(dá)到滿發(fā)，持續(xù)一定時(shí)間后，降負(fù)荷直至停機(jī)。整機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)得到的功率曲線大部分只反映了風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況，以此為依據(jù)，分析風(fēng)電機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況時(shí)存在一定的誤差。本次試驗(yàn)基于整機(jī)功率曲線的定義，得出了功率曲線高仿真的風(fēng)速模型與基于數(shù)理統(tǒng)計(jì)原理的風(fēng)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)功率特性曲線的仿真方法。為了充分考慮到適用于不同風(fēng)場的需要，分析了影響功率曲線的各種因素，并研究了各種條件下的影響因子。研究分析表明，動(dòng)態(tài)功率曲線能較好地反映動(dòng)態(tài)過程中風(fēng)電機(jī)組的功率特性；在對具體的風(fēng)場進(jìn)行發(fā)電量的估算時(shí)；采用影響因子進(jìn)行修正，可以得到更可靠的結(jié)果。

（7）2MW高速永磁整機(jī)全功率試驗(yàn)溫升實(shí)驗(yàn)。

（8）2MW高速永磁整機(jī)全功率試驗(yàn)溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析（圖3）。

圖3 整機(jī)全功率試驗(yàn)溫升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)過程環(huán)境溫度在20．8～21．4℃之間，在額定轉(zhuǎn)速1400r/min運(yùn)行4h，空載30min后進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，負(fù)載遞增過程持續(xù)90min，全功率滿負(fù)荷過程持續(xù)2h，負(fù)載的遞增過程是通過變頻器改變轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩，進(jìn)而改變負(fù)載的試驗(yàn)方式操作。

整個(gè)試驗(yàn)過程中，各功能部件的溫度變化如圖xx-x所示：機(jī)組齒輪箱油溫從37．7℃上升至51℃后開始保持平穩(wěn)，其中齒輪箱主軸承通過測溫元件監(jiān)測溫度26．8℃上升至30．5℃后開始保持平穩(wěn)，圓柱軸承通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從59．7℃上升至70．4℃后開始保持平穩(wěn)，圓錐滾子前軸承通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從50．1℃上升至62℃后開始保持平穩(wěn)，圓錐滾子后軸承通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從54℃上升至61．5℃后開始保持平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)端軸承通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從29．9℃上升至49．7℃后開始保持平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)端軸承通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從31℃上升至59．3℃后開始保持平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)冷卻液溫度通過測溫元件監(jiān)測齒輪箱主軸承的溫度從26℃上升至50．6℃后開始保持平穩(wěn)，發(fā)電機(jī)繞組溫度U1從76．9℃上升至136．9 ℃，V1從 75．6 ℃ 上 升 至 136．5 ℃，W1從 76．9 ℃上升至 136．7℃，U2從 66．6℃上升至 120．0℃，V2從68．2℃上升至 119．7℃，W2從 67．5℃上升至 119．8℃。

3 結(jié)語

經(jīng)與機(jī)組系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案比較，各項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)要素。后續(xù)將對試驗(yàn)過程方法進(jìn)行提高和細(xì)化，降低成本，提高設(shè)備效能，促進(jìn)精細(xì)化管理，以達(dá)到同行業(yè)的國際先進(jìn)水平和權(quán)威認(rèn)證的要求。

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