大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對拖試驗臺開發(fā)

朱志權(quán) 張元 果巖

（1.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司 2.機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所）

0 引言

隨著國家規(guī)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(fēng)電發(fā)展規(guī)劃，足以證明國家對海上風(fēng)電發(fā)展的重視以及實現(xiàn)碳中和所做的努力。海上風(fēng)資源豐富，開發(fā)大容量機(jī)組風(fēng)場比小容量風(fēng)場成本降低不少，因此整機(jī)廠家為適應(yīng)市場需求加大了研發(fā)技術(shù)投入，相繼實現(xiàn)容量突破，10MW、13MW等大型風(fēng)力機(jī)組應(yīng)運(yùn)而生。但如何保障機(jī)組的研發(fā)質(zhì)量是當(dāng)務(wù)之急，因此相應(yīng)的大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗臺開發(fā)提上日程。本文闡述了試驗臺架的原理和基本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)介紹驅(qū)動系統(tǒng)、連接耦合器、控制系統(tǒng)等各子系統(tǒng)部件。

1 技術(shù)方案

1.1 目標(biāo)

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(zhuǎn)速功率曲線、過載試驗。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

借鑒國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和整機(jī)廠家的開發(fā)經(jīng)驗。試驗臺由試驗臺架、電氣系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、連接耦合器、冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、電網(wǎng)適應(yīng)性設(shè)備等組成。

由于采用發(fā)電機(jī)對拖的方式，則拖動機(jī)和被試發(fā)電機(jī)均采用同一型號產(chǎn)品，示意圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)圖

1.3 工藝方案

1.3.1 試驗平臺

試驗平臺由基礎(chǔ)和鑄鐵平臺組成，如圖2所示。

圖2 試驗臺基礎(chǔ)

樁：提供試驗平臺上所有設(shè)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(jìn)行單獨(dú)特殊處理增強(qiáng)樁的數(shù)量，滿足試驗系統(tǒng)的承載要求。

混凝土基礎(chǔ)：主要承受驅(qū)動系統(tǒng)的輸出扭矩。將力均勻地分散到整個混凝土基礎(chǔ)上。因此里面布滿了足夠的鋼筋，增加強(qiáng)度。在表面預(yù)留與鑄鐵平臺的接口。

隔振棉：防止驅(qū)動系統(tǒng)及待測產(chǎn)品轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生振動影響周邊建筑物，因此在混凝土基礎(chǔ)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(shè)備安裝的靈活性和將試驗設(shè)備的重量均勻分散施加到基礎(chǔ)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(wěn)定性、韌性和耐磨性，表面帶有T型槽，可用來固定試驗設(shè)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(tǒng)

電氣系統(tǒng)是提供穩(wěn)定試驗電源并在試驗過程進(jìn)行保護(hù)的系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 電氣系統(tǒng)單線圖

（1）電氣結(jié)構(gòu)

本方案采用變壓器隔離的方式將拖動與被試側(cè)分開，保障兩側(cè)的電源互不影響。

圖3中，T1為進(jìn)線電源變壓器，T2為拖動側(cè)輸入變壓器，T3為被試側(cè)輸出變壓器，通過T2、T3變壓器在一次側(cè)實現(xiàn)能量回饋。

T1為進(jìn)線變壓器，一次側(cè)為10kV，二次側(cè)為35kV；T2、T3變壓器一次側(cè)35kV，二次側(cè)分690V、1140V；可適配不同產(chǎn)品變流器的需求。

若需要電網(wǎng)模擬器投入線路時，T3上端開關(guān)柜斷開，從電網(wǎng)模擬器回路流過；若不使用時，T3上端開關(guān)柜閉合，電網(wǎng)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(shè)備效率，得到依次各設(shè)備的容量，如圖4所示。

圖4 容量計算

（2）電網(wǎng)濾波

由于發(fā)電機(jī)是感性負(fù)載，常常會污染電網(wǎng)，因此在電網(wǎng)進(jìn)線端配備濾波裝置確保電網(wǎng)的電能質(zhì)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(bǔ)償裝置（簡稱SVG）；SVG采用電源模塊進(jìn)行無功補(bǔ)償，補(bǔ)償效果好，功率因數(shù)一般在0.98以上；補(bǔ)償時間快，一般在5~20ms就能完成一次補(bǔ)償。另外SVG不產(chǎn)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(wǎng)模擬器

（1）功能

電網(wǎng)適應(yīng)性設(shè)備提供風(fēng)電發(fā)電機(jī)試驗需要的電網(wǎng)電壓波動、頻率波動、三相電壓不平衡、閃變與諧波等電網(wǎng)擾動電網(wǎng)的工況。從而驗證風(fēng)電發(fā)電機(jī)的運(yùn)行能力和保護(hù)配置的一項風(fēng)電并網(wǎng)試驗檢測行為。

電網(wǎng)適應(yīng)性設(shè)備放置變流器網(wǎng)側(cè)，其裝置的運(yùn)行條件和主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足：

1）測試裝置的額定容量不小于待測產(chǎn)品的額定容量；

2）測試裝置接入電網(wǎng)產(chǎn)生的影響應(yīng)在國家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)；

3）測試裝置進(jìn)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(biāo)與負(fù)載測試時的最大允許偏差見表1。

表1 偏差表

（2）參數(shù)

按照GB/T19963《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》內(nèi)范圍為－0.95~＋0.95，根據(jù)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(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)由變頻器和拖動電機(jī)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(qū)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(jié)構(gòu)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(jī)功率相當(dāng)最合適，但應(yīng)略大于電機(jī)的功率；

3）考慮電機(jī)頻繁啟動，可選取大點(diǎn)的變頻器，利于變頻器長期安全地運(yùn)行；

4）變頻器電流應(yīng)略大于電機(jī)的負(fù)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(zhuǎn)矩控制（DTC）方式、正弦脈沖調(diào)制（SPWM）控制方式和矩陣式交-交控制方式；根據(jù)不同的運(yùn)用場景，選用不同的控制方式。ABB采用直接轉(zhuǎn)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(lián)軸器

聯(lián)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(jìn)行位移補(bǔ)償和緩沖?？此坪唵蔚臋C(jī)械連接器如何進(jìn)行選型。聯(lián)軸器分剛性聯(lián)軸器和撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器不具備緩沖和補(bǔ)償功能，直接機(jī)械連接，安裝精度要求高，損耗小。撓性聯(lián)軸器又分無彈性和有彈性：無彈性只有補(bǔ)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(lián)軸器則對測量結(jié)果有影響，因此采用無彈性撓性聯(lián)軸器，常見的有滑塊聯(lián)軸器、齒式聯(lián)軸器和萬向聯(lián)軸器，如圖7所示。

圖7 滑塊聯(lián)軸器

1.3.6 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)分空水冷卻和水水冷卻。由于試驗站散熱量大，若采用空水冷卻其散熱風(fēng)扇噪音極大，不利于試驗人員的舒適性。一般針對大熱量的冷卻，采用水水冷卻系統(tǒng)。

冷卻系統(tǒng)分一次冷卻系統(tǒng)和二次冷卻系統(tǒng)。冷卻單線圖如圖8所示。

圖8 冷卻單線圖

（1）一次冷卻系統(tǒng)

一次冷卻系統(tǒng)是冷卻內(nèi)部設(shè)備，如拖動變頻器、產(chǎn)品發(fā)電機(jī)和產(chǎn)品變流器。

一次冷卻系統(tǒng)由循環(huán)水泵、散熱片、水箱、閥門、流量計、溫度、管道和控制柜組成，如圖9所示。

圖9 一次冷卻系統(tǒng)實物

（2）二次冷卻系統(tǒng)

二次冷卻系統(tǒng)是冷卻一次冷卻系統(tǒng)的裝置。由冷卻水塔、水箱、循環(huán)水泵、管道和控制柜組成，如圖10所示。

圖10 二次冷卻系統(tǒng)

1.3.7 測控系統(tǒng)

計算機(jī)測控系統(tǒng)最主要的任務(wù)是依據(jù)硬件拓?fù)鋵φ麄€系統(tǒng)完成試驗設(shè)備的啟停運(yùn)行控制，并實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的讀取、存儲、分析、打印等功能。它包含計算機(jī)監(jiān)視控制系統(tǒng)（DCS）和計算機(jī)測試測量系統(tǒng)（CMS）兩大子系統(tǒng)，如圖11所示。

圖11 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

試驗站的測量系統(tǒng)有很多：如電機(jī)的振動測量、噪聲測量、熱工采集系統(tǒng)（Pt100）、功率測量以及其他非電量測量等。測量的數(shù)據(jù)都通過以太網(wǎng)被上傳至上位機(jī)系統(tǒng)。

出于試驗需求和電網(wǎng)監(jiān)測，分別在發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)、變流器網(wǎng)側(cè)以及總電源測都布置了電功率的測量。

發(fā)電機(jī)機(jī)側(cè)的電量傳感器采用電壓傳感器、電流傳感器，其主要原因是機(jī)側(cè)電壓頻率隨不同轉(zhuǎn)速變化。

變頻器網(wǎng)側(cè)和電網(wǎng)網(wǎng)側(cè)采用電壓互感器、電流互感器。

（1）電流傳感器參數(shù)

測量范圍：0~5000AAC；精度：0.2級。

電壓傳感器：0~2000VAC；精度：0.2級。

（2）功率分析儀參數(shù)

帶寬：DC-10MHz。

采樣率：3MHz/s

測量范圍：電壓3~1000V，電流20mA~32A。

1.3.8 安全系統(tǒng)

試驗站屬于帶強(qiáng)電作業(yè)區(qū)域以及旋轉(zhuǎn)部件區(qū)域，應(yīng)對周邊設(shè)置安全防護(hù)距離，如圍欄等和門限位開關(guān)；對旋轉(zhuǎn)部件進(jìn)行有效的安全遮擋。

1.4 試驗驗證

1.4.1 發(fā)電機(jī)溫升試驗

為了檢驗發(fā)電機(jī)的熱穩(wěn)定性以及效率等計算要求，對發(fā)電機(jī)進(jìn)行溫升試驗，測試結(jié)果如圖12所示。

圖12 溫升試驗

1.4.2 功率曲線試驗

根據(jù)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速功率的要求，進(jìn)行升速試驗，如圖13所示。

圖13 轉(zhuǎn)速-功率曲線

1.4.3 過載試驗

按GB/T 25389.2完成過載試驗，在熱試驗完成后進(jìn)行，保持額定頻率不變，在額定電壓下1.15倍額定負(fù)載運(yùn)行1h。試驗后檢查發(fā)電機(jī)絕緣及各部件未發(fā)現(xiàn)損壞，如表2所示。

表2 過載

2 結(jié)束語

大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)對拖試驗平臺開發(fā)不僅是大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)測試的重要保障，可充分驗證發(fā)電機(jī)的安全性、可靠性、穩(wěn)定性以及可維修性，同時為發(fā)電機(jī)的研發(fā)提供支撐。