雙饋風電機組油溫超限運行的控制策略

潘巧波, 劉 楊

(1.東北電力大學,吉林 吉林 132012;2.天津龍源風力發電有限公司,天津 300270)

雙饋風電機組油溫超限運行的控制策略

潘巧波1, 劉 楊2

(1.東北電力大學,吉林 吉林 132012;2.天津龍源風力發電有限公司,天津 300270)

針對雙饋機組運行中齒輪箱油溫超限的問題,遵循分析風機故障原則,提出了機組油溫超限后的自動降負荷運行控制策略。以龍源大港馬棚口風電場B60號機組齒輪箱油溫超限故障為研究對象,分析了其風速、葉輪轉數、齒輪箱油溫等實際運行數據,并結合南高齒廠家提供的試驗數據,計算得出齒輪箱油溫超限時的功率控制目標值。實踐證明,該控制策略能保證齒輪箱油溫超限故障機組油溫穩定和機組正常運行。

雙饋機組;齒輪箱故障;油溫超限;功率限制

中國自20世紀80年代從國外引進大功率風力發電技術的消化吸收、再制造過程[1-2]中,由于進口齒輪箱和前期國產化齒輪箱不適合,大部分齒輪箱運行不足3a均由于齒輪、軸、軸承等關鍵件的失效導致停機大修,對風電場和制造商均造成了較大的損失。根據世界風力發電網數據,風電系統的失效率12%來自齒輪箱的失效,齒輪箱的失效是導致故障時間、維修和產量減少的主要原因,一般其損失要占風電設備總價的15%～20%[3-4]。目前,解決雙饋風電機組齒輪箱油溫超限故障的方法有2種,一種是讓該風機待機散熱,等到油溫降至規定值以下,復位重啟,但這樣的處理辦法對風機的使用壽命影響很大。另一種是通過限制風機的葉輪轉數,控制齒輪箱油溫,但這種方法降低了齒輪箱工作效率。因此,為了彌補這兩種控制方法的不足,本文提出了一種基于齒輪箱油溫值自動控制調節機組功率的方法。

1 油溫與機組運行參數的關系

1.1 油溫與機組功率

按樣板機選取數量不超機組總量的10%的原則,選取6臺故障率較低的風機作為研究對象,按一定的統計方法得到了油溫與機組功率的關系,如圖1所示。

1.2 油溫與風機轉速

在日常運行中,出現齒輪箱油溫超限故障,手動限制風機轉速,一般選取17.0、16.5、16.0、15.5、14.5、14.0、13.5、13.0、12.5、12.0、11.5、11.0、10.5、10.0 r/min。觀察監控數據,統計這些風機轉子轉速對應的溫度值,得出轉速與齒輪油溫的對應關系如圖2所示。

圖1 齒輪箱油溫與機組功率關系圖

圖2 齒輪箱油溫與風機轉速關系圖

2 控制策略

對風場現行控制策略進行觀察和分析,通過限制風機功率輸出能達到控制齒輪箱油溫升高的作用。現提出油溫超限時功率限制程序控制策略,如圖3所示。

圖3 功率限制程序控制策略

在圖3中,P為發電機實際輸出功率,輸出變量;Pref為故障時的功率目標值(給定值)。Pref作為輸入變量,輸入到功率控制器,槳距角控制器以Pref為功率目標值對變槳機構進行控制,控制風輪槳葉角度,使發電機達到Pref的功率值輸出。其中,發電機功率值P作為輸入與Pref進行比較,從而實現了功率的不斷調節,最終達到發電機Pref功率值的正確輸出。通過主控程序限制風機發出的功率值,反饋到變槳機構,變槳到一定的角度[5]。以此保證葉輪轉速下降到相應值,齒輪箱工作效率隨即下降,油溫度就會降低。

3 控制目標值的確定

3.1 葉輪轉數限值的確定

在現場的實際工作中,當某臺風電機組多次發生齒輪箱油溫超限故障時,運行人員為了不使風機停機,就會采取臨時限制風機葉輪轉數、功率運行的措施。風機葉輪轉數的降低使齒輪箱中齒輪嚙合旋轉速度降低,齒輪箱的功率效率降低,齒輪箱的油溫會得到控制,使風機不停機。根據運行的經驗,把葉輪轉數從最高的17.4 r/min降至16.5 r/min。若將葉輪轉數降至17 r/min,此時對風機的功率輸出影響不大,對風機齒輪箱油溫的限制不明顯,很短時間后齒輪箱油溫超限故障就會再次報出;若將葉輪轉數降至16 r/min,此時對風機功率的輸出影響較大,雖然能很好的限制齒輪箱油溫的升高,但對風機功率輸出影響較大,風機的運行效率、發電能力將會相對降低。因此,在綜合考慮以上兩方面的因素,把葉輪轉數限至16.5 r/min。

3.2 由葉輪轉數限值確定功率目標值

根據運行經驗確定了選取的葉輪轉速數16.5 r/min,結合風電場監控系統采集的B60號機組運行數據,分析確定啟動功率限制程序時的功率目標值Pref。

B60號風機運行數據選取的時間段為2014年3月11日21時00分至3月12日04時00分。其中,2014年3月11日21時00分至3月12日03時06分風機處于滿功率運行。在3月12日03時07分手動限制B60號風機葉輪轉速數至16.5 r/min,持續運行至3月12日04時00分。B60號風機運行數據以1 min為間隔,變量值選取了葉輪轉速、功率、齒箱油溫及風速。B60號風機功率隨時間變化如圖4所示。

圖4 B60號風機功率圖

由圖4可知,當葉輪轉數限制為16.5 r/min 后,風機發出功率集中在1200至1300 kW之間。根據以上分析,可初步確定啟動功率限制程序時的功率目標值范圍為1200～1300 kW。

3.3 齒輪箱油溫升分析確定功率目標值

齒輪箱的功率損耗的各個組成部分為

Pv=Pvs+Pvs0+Pvb+Pvb0+Pvd+Pvx

(1)

式中:Pvs為齒輪在傳力時由于齒廓滑動-滾動而引起的摩擦損耗;Pvs0為齒輪的空載運行損耗,即油浸潤滑時的攪拌損耗和強制噴油潤滑時的擠壓損耗和使被噴入的油加速度和變向所需的功率及風阻損耗;Pvb為軸承受載時的損耗;Pvb0為軸承的控載損耗;Pvd密封的摩擦功率;Pvx為其他在箱體中的設備的功率損耗。

在考慮齒輪箱功率損耗的各個組成部分時,輸入轉矩變化后,Pvs與Pvs0為主要損耗,其他損耗可忽略不作考慮。輪齒摩擦損耗Pvs隨載荷的增長而正比例的變化,并隨著圓周速度v的增大而增大。Pvs0實際主要為攪拌損耗與風阻損耗。由于各個功率損耗都以熱的形式散發,潤滑油作為傳遞介質,其溫度會上升,功率損耗減少時油溫會相應的降低。因此,齒輪箱的輸入轉數降低時,隨著各齒輪的圓周速度與攪拌速度的降低,齒輪箱主要的功率損耗——輪齒摩擦損耗與攪拌損耗就會減少,油溫也會相應的降低。

依據B60號風機所采數據,統計分析葉輪轉速在17.4 r/min 與16.5 r/min 時的齒輪箱油溫情況,油溫隨時間變化如圖5所示。

圖5 B60號油溫與風機葉輪轉速關系圖

Fig.5 Relation of No.B60 oil temperature and fan impeller speed

由圖5分析可知,當葉輪轉數為17.4 r/min 時,齒輪箱油溫總的趨勢為隨著滿功率運行時間的增加逐漸升高,最后較平穩的保持在73.3 ℃左右;當葉輪轉數限制到16.5 r/min 時,齒輪箱油溫的變化趨勢為較大幅度的下降,最后保持在70.8 ℃左右,即葉輪轉數從17.4 r/min 限制到16.5 r/min 后,在持續運行的將近1 h的時間內,齒輪箱油溫由73.3 ℃降低到了70.8 ℃。可見,通過對風機葉輪轉數的限制,齒輪箱油溫得到了很好的控制。

綜上所述,將葉輪轉數限制為16.5 r/min即輸出功率在1200～1300 kW運行時,齒輪箱油溫能得到很好的控制。本次試驗最終確定啟動功率限制程序時的功率目標值取1200 kW,即設定為Pref=80%P。

4 功率限制程序

4.1 啟動流程

當風電機組齒輪箱油溫超限故障停機時,啟動功率限制程序,其啟動控制流程如圖6所示。

圖6 功率限制程序啟動流程

1) 齒輪箱油溫超限故障判斷次數為1次,齒輪箱油溫度>80 ℃且持續5 s時,風機報出齒輪箱油溫超限故障。此時,由主控制器PLC判斷該故障出現次數,判斷周期取最后1次功率限制程序解除的時刻算起,即最后1次功率限制程序解除至此時共發生次數。

當PLC判斷故障次數為1時,風機變槳制動停機,齒輪箱油溫超限故障報警彈窗彈出,警鈴響。此時,允許風機自行散熱,當滿足風機自行啟動條件時,風機自行啟動;也可由運行人員手動遠程復位,啟動風機。

2) 齒輪箱油溫超限故障判斷次數>1次,PLC判斷故障次數為大于1時(即為2次),齒輪箱油溫超限故障報警彈窗及功率限制程序啟動彈窗彈出,并伴有警鈴報警,風機自動復位故障。此時,提醒運行人員風機因油溫超限故障啟動了功率限制程序,運行人員應做好記錄。功率限制程序啟動后,由功率控制器下發功率目標值Pref,槳距角控制器控制變槳機構改變槳葉角度,實現Pref功率目標值的輸出。

4.2 功率限制程序調節過程

4.2.1 低于額定風速

當風機因非齒輪箱油溫超限故障停機時,風機按原主控程序控制邏輯運行。只有風機報出齒輪箱油溫超限故障時,按功率限制程序啟動流程判斷是否啟動。當啟動時,取功率目標值Pref=80%P*,80%P*作為功率目標值進行調節。此時,變槳控制器根據主控制器下發的80%P*功率值控制槳葉進行變槳調節,變槳至合適的角度后,風機恒功率80%P*輸出。同時,主控制器監測單位周期內Δt的變化,當Δt≤0時,功率目標值Pref按90%P*的功率下發,重新進行調節;當Δt>0,Pref按70%P*的功率下發,重新調節。功率目標值調節的大小為±10%P*。當功率限制程序不啟動時,風機按原主控程序控制邏輯運行。

4.2.2 高于額定風速

當風機因非齒輪箱油溫超限故障停機時,風機按原主控程序控制邏輯運行。只有風機報出齒輪箱油溫超限故障時,按功率限制程序啟動流程判斷是否啟動。當啟動時,取功率目標值Pref=80%P=1200 kW進行調節。變槳控制器根據主控制器下發的1200 kW功率指令,控制槳葉進行收槳調節,當收槳至合適角度后,風機保持1200 kW恒功率輸出。同時,主控制器監測單位周期內Δt的變化,當Δt≤0時,功率目標值Pref按90%P的功率下發,重新進行調節;當Δt>0,Pref按70%P的功率下發,重新調節。功率目標值調節的大小為±10%P。當功率限制程序不啟動時,風機按原主控程序控制邏輯運行。功率調節過程如圖7所示。

4.3 功率限制程序的解除

設定功率目標值為Pref,實際風速為vwind,風速下對應的功率曲線功率值為P(即最大發電能力下的功率值),當滿足以下條件且兩條件同時成立時,功率控制程序解除,啟動風機正常運行主控程序:

1)Pref>P,即功率目標值大于實際風速下對應的功率曲線功率值。

2)Pref>P持續時間大于10 min。

在功率限制程序解除時,風機監控系統應有風機功率限制程序解除報警彈窗彈出,并伴有警鈴響,提醒運行人員做好記錄,并安排故障風機的現場處理。

圖7 功率調節過程

5 結 語

本文針對雙饋風電機組齒輪箱油溫超限故障下運行控制問題,通過查閱大量資料,以及長期積累的現場經驗,結合南高齒齒輪箱廠家的實驗數據,提出了雙饋機組齒輪箱油溫超限情況下的自動運行控制方法。計算出了減負荷控制系統的功率給定值,對故障機組進行了故障溫升、減負荷控制試驗,并對功率限制程序啟動、控制及解除的整體工作過程也進行了試驗。其試驗結果表明,齒輪箱油溫超限故障機組油溫穩定,機組運行正常,實現了預期控制目標。

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(責任編輯 侯世春)

Control strategy for doubly-fed wind turbine units operation under over-standard oil temperature

PAN Qiaobo1,LIU Yang2

(1. Northeast Dianli University, Jilin 132012; 2. Tianjin Longyuan Wind Power Co.，Ltd.，Tijin 300270)

In order to solve the over-standard oil temperature of the gearbox during the operation of doubly-fed turbine units, based on the principle of wind turbine failure analysis, this paper proposes the control strategy, the operation with automatically reduced load, after the oil temperature exceeds the standard. Taking the gearbox oil temperature failure of B60 unit in Longyuan Dagang Mapengkou wind farm as the study subject, this paper analyzes the actual operation data including the wind speed, impeller speed and gearbox oil temperature, on the basis of which works out, together with the text data provided by NGC, the target power control value when the oil temperature of gearbox exceeds the standard. The practice proves that this control strategy ensures the stable oil temperature and unit operation when the oil temperature of gearbox exceeds the standard.

doubly-fed units; gearbox failure; over-standard oil temperature; power limit

2015-02-21。

潘巧波(1993—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為電力電子與新能源發電 。

TM315

A

2095-6843(2015)04-0360-04