双馈风力发电机组联轴器频繁打滑问题的解决

2021-07-05刘吉辉仇建喜

上海电气技术 2021年2期

刘吉辉仇建喜

上海电气风电集团股份有限公司上海 200030

1 风力发电机组概述

风力发电是成本最低的温室气体减排技术之一,在能源安全和环境保护的推动下,全球风力发电迅速发展。

风力发电机将风能转换为机械能,再将机械能转换为电能,最终将电能接入电网。在双馈风力发电机组中,联轴器连接齿轮箱的输出轴和发电机的输入轴,将齿轮箱输出的扭矩传递至发电机,带动发电机转动。联轴器是风力发电机组传动链中的关键部件,其工作性能直接影响风力发电机组的工作状况。由于风力发电机组工作环境一般比较恶劣,运行工况非常复杂,联轴器需要在高速、重载、振动、变扭矩、反复启动等工况下,通过补偿轴系的轴向、径向、角位移等方式,来平衡风力发电机组因外部载荷的波动而产生的额外能量,实现两轴间扭矩和运动的连续平稳传递。联轴器还必须在风力发电机组发生短路或过载而自动打滑时保护风力发电机组,是风力发电机组中保证传动和安全的核心部件[1]。

在实际应用中,由于机械和电气系统的种种原因,风力发电机组的联轴器会出现频繁打滑甚至损坏等失效现象。某2 MW双馈风力发电机组实际运行中,由于变流器接收的转矩指令异常,导致联轴器频繁打滑。对此,笔者结合理论分析和实践经验,制订了相应的改进措施,并验证了整改的有效性。

2 故障机组简介

2 MW双馈风力发电机组系统拓扑如图1所示。风力发电机转子轴经联轴器与机组传动链连接,定子侧经并网开关与电网电器连接,变流器网侧与电网连接,变流器驱动和控制风力发电机输出电磁转矩,实现机械能至电能的转换,并且准确执行风力发电机组主控的安全策略指令,保证风力发电机组电磁转矩和机械转矩稳定、平衡。当变流器控制风力发电机组电磁转矩出现异常时,会对风力发电机组传动链造成机械冲击和过载。

图1 2 MW双馈风力发电机组系统拓扑

2 MW双馈风力发电机组系统参数见表1。

表1 2 MW双馈风力发电机组系统参数

3 联轴器分析

2 MW双馈风力发电机组联轴器安装示意图如图2所示。风力发电机组联轴器由胀紧套、弹性元件、扭矩限制器、中间管、刹车盘构成[2],如图3所示。胀紧套共有两个,胀紧套1的作用为连接风力发电机齿轮箱,将叶片扭矩传递至联轴器,胀紧套2的作用为连接风力发电机主轴,将联轴器接收到的扭矩传递至风力发电机组。中间管为绝缘传动部件,主要用于绝缘和传递扭矩。弹性元件通过自身的变形,实现联轴器各种轴向、径向偏转的扭转和位移补偿功能。扭矩限制器由输入扭矩的主动盘和摩擦单元构成,当输入扭矩大于联轴器打滑扭矩限值时,通过摩擦单元打滑,可以对风力发电机组实施过载保护[3-4]。

图2 联轴器安装示意图

图3 联轴器结构

对于投运时间较长的风力发电机组,在不考虑设计因素的前提下,造成实际输入扭矩大于联轴器打滑扭矩限值的情况主要有三种[5-7]。

(1) 变流器异常工况导致风力发电机组电磁转矩异常。

(2) 风力发电机组急停甩负载,对传动链产生冲击。

(3) 联轴器质量问题。

当风力发电机组频繁出现联轴器打滑现象,并且累积到一定程度时,会导致联轴器的打滑扭矩限值降低,进而造成更频繁的打滑,最终影响风力发电机组正常发电。某联轴器厂家给出的扭矩限制器打滑次数和打滑扭矩变化量关系如图4所示。

图4 联轴器扭矩限制器打滑次数与打滑扭矩变化量关系

风力发电机组联轴器现场打滑情况的标记如图5所示。

图5 联轴器现场打滑情况标记

4 变流器转矩异常分析

2 MW双馈风力发电机组主控与变流器通信接线如图6所示。在变流器柜中,先将变流器输出的模拟输入、输出接口信号和数字输入、输出接口信号通过Profibus通信模块转换为Profibus通信接口信号,再与风力发电机组主控可编程序控制器通信。

图6 2 MW双馈风力发电机组主控与变流器通信接线

传输内容包括主控向变流器发送的开关机指令字、转矩指令、无功指令和变流器向主控发送的变流器运行状态字、转矩反馈、无功反馈等信息。

通信回路可能会出现局部线缆接触不良或器件虚焊等情况,当这类情况发生在转矩给定回路时,变流器接收到的转矩指令会出现异常波动,如图7所示。可以看出,变流器接收到的转矩指令出现异常波动,引起风力发电机组转矩在百毫秒级的时间内出现-22.27%～121.55%额定转矩频繁波动,对风力发电机组传动链,特别是联轴器的机械冲击非常大,扭矩峰值达到143.82%额定转矩,非常接近联轴器的打滑扭矩限值,造成联轴器频繁打滑。

图7 变流器转矩指令异常波动

5 改进措施

针对变流器与2 MW双馈风力发电机组主控通信回路可能存在的接触不良或器件虚焊,导致变流器转矩指令接收异常等情况,检查确认风力发电机组主控与变流器通信回路接线及器件是否存在虚焊等接触不良情况,从根源处避免类似情况出现。为了尽可能减小此类异常情况对传动链,特别是联轴器的机械冲击,升级变流器转矩响应策略[9-10]。

当传输转矩给定的电流模拟量信号小于4 mA或大于20 mA时,变流器报热线断线故障,通知主控减载停机。故障确认时间为200 ms,可根据现场不同实际情况适当调整。在确认故障前,变流器暂不响应接收到的异常转矩指令,执行之前的转矩指令。故障确认后,变流器慢速减载停机,减载速度为每秒20%额定转矩。

当传输转矩给定的电流模拟量信号在4～20 mA之间时,变流器相邻两次接收到的转矩指令差大于20%,报转矩给定异常故障,通知主控减载停机。故障确认时间为200 ms,可根据现场不同实际情况适当调整。在确认故障前,变流器暂不响应接收到的异常转矩指令,执行之前的转矩指令。故障确认后,变流器慢速减载停机,减载速度为每秒20%额定转矩。