2MW高速永磁风力发电机组整机试验方案及试验结果研究

2018-06-14曹杰薛奖为杨阳赵安安张爱明

中国设备工程 2018年11期

曹杰，薛奖为，杨阳，赵安安，张爱明

（北京京城新能源（酒泉）装备有限公司，甘肃酒泉 735000）

风能是一种清洁的可再生能源，作为风能利用的主要形式，风力发电技术是目前最成熟、最具规模化开发条件和商业化发展前景的可再生能源发电方式之一。整机试验是在机组生产完工后，对被试机组的功能模块、传感器、并脱网特性、温度特性、功率曲线等相关参数进行考核鉴定的试验过程。试验过程对整机的设计依据进行验证，对机组的发电能力进行评估，因此，整机试验是未来机组在风场运行能力的一个前期评估，是风电机组生产制造的一个重要环节。

1 试验设备

1.1 实验设备与传动链的结构

（1）试验设备。①H型极联式多电平额定输出4600kVA高压变频器2台，作为能量回馈拖动电源；②3600kW变频调速异步拖动电机2台，拖动容量为7200kW，做为风力发电机的动力源；③测控系统采用了Anyway宽带传感器及其功率分析系统；④设备运行控制软件，为自动进行数据采集、处理、分析、计算的软件；⑤完整、齐全的所有设备运行状况的监控系统。

1.2 传动链结构（图1）

图1 试验台传动链简易图

整机台架试验是在实验室或总装厂的试验台上对整机进行的模拟试验。试验前整机应处于正常状态，除叶片、塔架以及机舱罩壳外，整机的所有零部件均已安装完毕。试验台应能够实现并网发电、调速、调功率和转矩控制。试验台由一台异步电机经过减速齿轮箱后，拖动整机机舱旋转，模拟风轮，在机舱内部，经过齿轮箱升速带动传动轴，带动发电机旋转。

2 试验部分（试验项目及实验数据整理分析）

整机型式试验是指根据相关标准（IEC 61400-11-2006、IEC 61400-12-2005、IEC 61400-13-2001 及IEC 61400-21-2008）要求的测试仪器，采集整机在不同试验要求下的运行参数和性能参数，并针对测试结果与设计、仿真结果对比分析，从而评估整机性能的试验。型式试验必须在满足电网条件要求的情况下进行，电网条件要求如下：一是电网电压的波动范围在±10%范围之内；二是电网频率的波动范围在±2%范围之内；三是电网电压负序电压不平衡度不超过2%，短时不超过4%。具体试验条件应满足相应测试标准的要求。本次试验为低温型机组，海拔高度1500m，不属于高海拔，相对湿度小于95%，环境温度20℃左右。

2.1 2MW高速永磁整机的出厂试验

（1）试验前的准备。按照整机装配工艺完成机组装配，包括发电机冷却管路和齿轮箱冷却的装配；按照机组功能调试的要求，完成整机的功能调试工作；变流器与发电机进行联调，确保变流器可以正常工作；按照试验台方案，将整机和所有的附属设备吊装完成；吊装完成后，连接发电机动力电缆至变流器，将变流器到主控塔基控制柜的通信线缆连接完成；连接变流冷却系统管路及控制线，并经行调试；变流器断路器提供常开/常闭信号，试验期间试验站监测该信号，机组并网运行期间如遇故障造成停机，试验站通过变流器断路器的信号变化将拖动系统停机或调节拖动系统转速，保证系统安全。

（2）2MW高速永磁整机空载拖动试验。整机完成上电检查和功能调试的工作后，将整机转速拖动至并网转速，检查整机的辅助部分以及传感器部件能否正常工作，是否满足设计要求。空载拖动试验的最高转速1400r/min，试验时间30min，环境温度30℃，首先启动拖动机，转速升至300rpm，持续旋转5min，检查各执行机构及润滑系统的工作状态和反馈是否正常，检查机组的振动情况，检查试验台的振动是否正常，检查发电机水冷系统是否正常，并记录；转速逐步增加，每次提高150rpm，重复检查，直至达到机组的额定转速1400r/min，保持旋转30min。

（3）2MW高速永磁整机空载试验数据分析。分析实验数据：发电机绕组位于49．8～53．7℃之间，符合机组技术参数的设计要求；发电机驱动、非驱动端的温度分别为29．6℃和36．8℃，均小于设计上限80℃；齿轮箱各轴承的温度分别分布在25．6～65．4℃之间，均小于设计上限75℃；齿轮箱润滑油的温度为38．4℃，小于设定值75℃；径向与轴向震动分别为0．9mm/s和1．5mm/s，均小于设计要求 2．3mm/s；上述的实验结论符合机组的设计要求。

2.2 2MW高速永磁整机型式试验

（1）2MW高速永磁整机拖动并网负载试验。启动拖动机，将机组拖动至额定转速1400rpm，检查并记录各部套的状态，记录各执行机构的数据。开始并网试验，将发电机转速拖至并网转速500rpm后，起动网侧、合定子开关、起动机侧并网，记录数据；500rpm并网后，通过改变扭矩进而增加负载，每增加一次负载运行约2min，记录数据，观察各执行机构的状态是否运行正常并记录，直至达到满载状态。

（2）2MW高速永磁整机拖动并网负载试验数据分析。试验转速1400r/min，最大试验加载转矩14633N·m，输出电压715．3V，输出电能频率50Hz，发电机全功率电流2163．4A,机械振动限值Y2．3/Z2．3mm/s，测量值 2．2/1．9mm/s，符合技术要求。

（3）2MW高速永磁整机全功率实验电能质量。电能质量与供电、用电系统及其设备正常工作（或运行）的电压、电流的各种指标偏离规定范围的程度息息相关。电能质量试验主要包括：整机谐波的测量、闪变、有功和无功控制、电压不平衡度、电压波动以及整机的电网保护等。

（4）2MW高速永磁整机全功率实验电能数据分析。在整机并网发电前，需保证在整机输出端测量的值到50次谐波的电压总谐波畸变率10min平均值应小于5%；电网频率的0．2s平均值应在额定频率的±1%范围内，并且测量所得电网频率变化率的0．2s平均值应小于额定频率的0．2%；整机输出端得到的电压10min平均值应在额定值的±10%范围内；整机输出端测量得到的电压不平衡度10min平均值应小于2%，定子的电压电流均满足设计要求，网侧各项参数符合DB62T 2419-2014标准要求。

按照标准IEC 61400-21-2008的要求，对测量的数据进行分析、处理，从而得出电压波动、闪变、谐波、功率控制等数据，然后将测试结果与标准GB/T 12326-2008以及标准GB/T 14549-1993进行比较，从而确定整机输出的电能是否符合标准的要求。

（5）2MW高速永磁整机功率特性曲线。功率曲线是整机的设计依据，也是考核机组性能、评估机组发电能力的一项重要指标，功率曲线也是衡量整台机组经济技术水平的最佳尺度。设备交付时，首先要提交机组的标准功率曲线；如果机组运行过程中测试得到的功率曲线超出设计依据的标准功率曲线，将使整机处于过负荷状态，影响机组的寿命；如果实际测试功率曲线低于标准功率曲线时，将对机组的发电量产生影响，正确进行功率曲线的计算、测试以及修正，将对风力发电项目的实际收益周期产生巨大的影响。

（6）2MW高速永磁整机功率特性曲线分析（图2）。

图2 整机功率特性曲线

由试验平台主控台给出试验的开始信号，启动、升速、并网均可自动完成，之后由控制室向变频器和变流器发出操作指令，按照指定的功率曲线发电，直至达到满发，持续一定时间后，降负荷直至停机。整机试验平台得到的功率曲线大部分只反映了风电机组的稳态运行状况，以此为依据，分析风电机组的实际运行状况时存在一定的误差。本次试验基于整机功率曲线的定义，得出了功率曲线高仿真的风速模型与基于数理统计原理的风电机组的动态功率特性曲线的仿真方法。为了充分考虑到适用于不同风场的需要，分析了影响功率曲线的各种因素，并研究了各种条件下的影响因子。研究分析表明，动态功率曲线能较好地反映动态过程中风电机组的功率特性；在对具体的风场进行发电量的估算时；采用影响因子进行修正，可以得到更可靠的结果。

（7）2MW高速永磁整机全功率试验温升实验。

（8）2MW高速永磁整机全功率试验温升实验数据分析（图3）。

图3 整机全功率试验温升实验数据分析

试验过程环境温度在20．8～21．4℃之间，在额定转速1400r/min运行4h，空载30min后进行负载试验，负载递增过程持续90min，全功率满负荷过程持续2h，负载的递增过程是通过变频器改变转动扭矩，进而改变负载的试验方式操作。

整个试验过程中，各功能部件的温度变化如图xx-x所示：机组齿轮箱油温从37．7℃上升至51℃后开始保持平稳，其中齿轮箱主轴承通过测温元件监测温度26．8℃上升至30．5℃后开始保持平稳，圆柱轴承通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从59．7℃上升至70．4℃后开始保持平稳，圆锥滚子前轴承通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从50．1℃上升至62℃后开始保持平稳，圆锥滚子后轴承通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从54℃上升至61．5℃后开始保持平稳，发电机驱动端轴承通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从29．9℃上升至49．7℃后开始保持平稳，发电机非驱动端轴承通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从31℃上升至59．3℃后开始保持平稳，发电机冷却液温度通过测温元件监测齿轮箱主轴承的温度从26℃上升至50．6℃后开始保持平稳，发电机绕组温度U1从76．9℃上升至136．9 ℃，V1从 75．6 ℃ 上升至 136．5 ℃，W1从 76．9 ℃上升至 136．7℃，U2从 66．6℃上升至 120．0℃，V2从68．2℃上升至 119．7℃，W2从 67．5℃上升至 119．8℃。