大型风力发电机对拖试验台开发

2022-09-03朱志权张元果岩

电器工业 2022年7期

朱志权张元果岩

（1.上海电气风电集团股份有限公司 2.机械工业北京电工技术经济研究所）

0 引言

随着国家规划的推动，福建、两广、江苏等沿海省份相继出炉“十四五”海上风电发展规划，足以证明国家对海上风电发展的重视以及实现碳中和所做的努力。海上风资源丰富，开发大容量机组风场比小容量风场成本降低不少，因此整机厂家为适应市场需求加大了研发技术投入，相继实现容量突破，10MW、13MW等大型风力机组应运而生。但如何保障机组的研发质量是当务之急，因此相应的大型风力发电机试验台开发提上日程。本文阐述了试验台架的原理和基本结构，重点介绍驱动系统、连接耦合器、控制系统等各子系统部件。

1 技术方案

1.1 目标

试验台能力：容量10MW+；电压690V、1140V。

主要试验项目：满功率温升试验、转速功率曲线、过载试验。

1.2 结构形式

借鉴国内外研究机构和整机厂家的开发经验。试验台由试验台架、电气系统、驱动系统、连接耦合器、冷却系统、控制系统、测量系统、电网适应性设备等组成。

由于采用发电机对拖的方式，则拖动机和被试发电机均采用同一型号产品，示意图如图1所示。

图1 结构图

1.3 工艺方案

1.3.1 试验平台

试验平台由基础和铸铁平台组成，如图2所示。

图2 试验台基础

桩：提供试验平台上所有设备重量和被试品输出最大扭矩的反作用力。因此普通地面需进行单独特殊处理增强桩的数量，满足试验系统的承载要求。

混凝土基础：主要承受驱动系统的输出扭矩。将力均匀地分散到整个混凝土基础上。因此里面布满了足够的钢筋，增加强度。在表面预留与铸铁平台的接口。

隔振棉：防止驱动系统及待测产品转动时产生振动影响周边建筑物，因此在混凝土基础与周边地面之间用隔振棉做隔振。

铸铁平台：为了便于试验设备安装的灵活性和将试验设备的重量均匀分散施加到基础上，采用长方形的铸铁T型槽平台作为整体台架。铸铁平台具有较好的平面稳定性、韧性和耐磨性，表面带有T型槽，可用来固定试验设备，制造工艺和成本相对容易，是传动链安装必备的重要工装。

1.3.2 电气系统

电气系统是提供稳定试验电源并在试验过程进行保护的系统，如图3所示。

图3 电气系统单线图

（1）电气结构

本方案采用变压器隔离的方式将拖动与被试侧分开，保障两侧的电源互不影响。

图3中，T1为进线电源变压器，T2为拖动侧输入变压器，T3为被试侧输出变压器，通过T2、T3变压器在一次侧实现能量回馈。

T1为进线变压器，一次侧为10kV，二次侧为35kV；T2、T3变压器一次侧35kV，二次侧分690V、1140V；可适配不同产品变流器的需求。

若需要电网模拟器投入线路时，T3上端开关柜断开，从电网模拟器回路流过；若不使用时，T3上端开关柜闭合，电网模拟器断开。

容量计算：从末端变流器功率开始依次往前除以各设备效率，得到依次各设备的容量，如图4所示。

图4 容量计算

（2）电网滤波

由于发电机是感性负载，常常会污染电网，因此在电网进线端配备滤波装置确保电网的电能质量，从而保障试验电源干净，如图5所示。

图5 滤波

推荐采用无功补偿装置（简称SVG）；SVG采用电源模块进行无功补偿，补偿效果好，功率因数一般在0.98以上；补偿时间快，一般在5~20ms就能完成一次补偿。另外SVG不产生谐波更不会放大谐波，并且可以滤除50%以上的谐波。

1.3.3 电网模拟器

（1）功能

电网适应性设备提供风电发电机试验需要的电网电压波动、频率波动、三相电压不平衡、闪变与谐波等电网扰动电网的工况。从而验证风电发电机的运行能力和保护配置的一项风电并网试验检测行为。

电网适应性设备放置变流器网侧，其装置的运行条件和主要技术指标应满足：

1）测试装置的额定容量不小于待测产品的额定容量；

2）测试装置接入电网产生的影响应在国家标准允许的范围内；

3）测试装置进行空载测试时输出的电压偏差、频率偏差、三相电压不平衡、电压波动和闪变及谐波电压等性能指标与负载测试时的最大允许偏差见表1。

表1 偏差表

（2）参数

按照GB/T19963《风电场接入电力系统技术规定》内范围为－0.95~＋0.95，根据公式Q/P=tan（acos0.95）=0.33pu，考虑余量，建议选择0.5pu，得出容量

1.3.4 驱动系统

驱动系统由变频器和拖动电机组成。

变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元组成，如图6所示。

图6 变频器结构图

变频器选型注意事项：

1）变频器从能量回馈以及能耗制动，四象限比较合适；

2）变频器功率与电机功率相当最合适，但应略大于电机的功率；

3）考虑电机频繁启动，可选取大点的变频器，利于变频器长期安全地运行；

4）变频器电流应略大于电机的负载电流。

变频器控制方式：电压空间矢量（SVPWM）控制方式、矢量控制（VC）方式、直接转矩控制（DTC）方式、正弦脉冲调制（SPWM）控制方式和矩阵式交-交控制方式；根据不同的运用场景，选用不同的控制方式。ABB采用直接转矩控制，安川采用矩阵式交-交控制方式，其余厂家使用剩余两种控制方式。

1.3.5 联轴器

联轴器的目的是用于两个部件的连接，作用是对两个不在同一轴线的部件进行位移补偿和缓冲。看似简单的机械连接器如何进行选型。联轴器分刚性联轴器和挠性联轴器。刚性联轴器不具备缓冲和补偿功能，直接机械连接，安装精度要求高，损耗小。挠性联轴器又分无弹性和有弹性：无弹性只有补偿位移的作用，无缓冲减振。由于要测量输入的扭矩，若采用弹性挠性联轴器则对测量结果有影响，因此采用无弹性挠性联轴器，常见的有滑块联轴器、齿式联轴器和万向联轴器，如图7所示。