風電機組試驗平臺技術探討

文 | 康濤，蔡安民

近年來，風電機組整機廠面向國內特定環(huán)境條件而設計開發(fā)的低風速機組、高海拔機組、抗臺風電機組與海上風電機組如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)，在填補市場空白的同時，也對新型風電機組整機及部件的功能測試工作提出越來越高的要求。為了降低測試成本，一些基于有限元分析方法的仿真測試也被引入到風電機組的測試工作中，但是對于結構復雜的大型部件甚至整機的多體動力學系統(tǒng)而言，仿真測試所得結果數(shù)據(jù)的可信度與實際測試結果往往存在一定程度的偏差。測試環(huán)節(jié)的準確性與經濟性矛盾，需要不斷修正大型部件或整機的多體動力學模型來解決，模型修正的主要依據(jù)是實測數(shù)據(jù)。風電場實測數(shù)據(jù)最為可信，但是試驗的輸入受到環(huán)境條件的限制，試驗的可重復性差，并且對于待測機組（尤其是海上風電機組）而言存在一定的風險，這些因素嚴重制約了機組的風電場測試。為了在降低測試風險的前提下，提升仿真測試的準確性，歐洲與美國的風電技術研究機構紛紛開發(fā)出多自由度大功率試驗平臺，將大部分風電場測試工作轉移到實驗室中。

本文將簡略介紹國外研究機構目前在多自由度大功率試驗平臺（以下簡稱試驗平臺）的研究進展情況，進而展開說明試驗平臺的技術方案。

國外研究進展

目前，國外新能源研究機構在試驗平臺的技術領域，已經發(fā)展到能夠實現(xiàn)對風電機組傳動鏈進行能量捕獲側的風載仿真，即多自由度加載，并耦合電網(wǎng)側波動載荷的大功率加載的技術程度。當前已擁有具備這種全面耦合加載功能的試驗平臺的國際研究機構主要包括：德國Fraunhofer IWES研究所（7MW全功率試驗臺）、德國亞琛工業(yè)大學（1MW全變頻機艙測試平臺）、丹麥LORC（10MW加速壽命測試平臺）、英國國家可再生能源中心（3MW機艙測試平臺）、美國Clemson大學（7.5MW測試平臺與15MW測試平臺）等；同時還有一些試驗平臺正在建設過程中，例如德國亞琛工業(yè)大學（4MW全變頻機艙測試平臺，計劃2014年底建成）、英國國家可再生能源中心（15MW機艙測試平臺）。

其中，德國亞琛工業(yè)大學風電驅動技術中心開發(fā)的1MW全變頻機艙測試平臺主要用于基于硬件在環(huán)及實時仿真的控制器設計驗證，與機艙傳動鏈和支撐結構的多體動力學建模研究，即通過測試數(shù)據(jù)修正傳動鏈與支撐結構的模型；美國Clemson大學SCE&G能源創(chuàng)新中心開發(fā)的7.5MW測試平臺主要用于進行傳動鏈及支撐結構的多自由度加載測試，15MW測試平臺中加入了電網(wǎng)模擬器，從而具備了仿真電網(wǎng)側波動載荷的測試功能，使試驗臺的測試功能更加全面；英國國家可再生能源中心開發(fā)的3MW機艙測試平臺、丹麥LORC開發(fā)的10MW加速壽命測試平臺則主要是面向風電機組整機廠的新型機組開發(fā)而建設的，Vestas的8MW樣機便是在LORC的10MW加速壽命測試平臺上進行的可靠性測試。

試驗平臺技術方案

針對風電機組整機廠在大型部件及整機測試方面的需求，試驗平臺應當具備以下幾項測試或試驗功能：

（1）傳動鏈（或機艙）的加速壽命測試；

（2）傳動鏈（或機艙）、大型部件的可靠性測試；

（3）控制方法和電氣系統(tǒng)的試驗驗證；

（4）并網(wǎng)試驗；

（5）有功功率與無功功率解耦試驗；

（6）電能質量分析；

（7）滿功率溫升試驗；

（8）新型傳動鏈性能試驗驗證。

參考國際研究機構的開發(fā)應用經驗，若要實現(xiàn)以上測試試驗功能，則試驗平臺需由以下八部分組成：試驗平臺基礎、試驗臺架、驅動系統(tǒng)（扭矩載荷）、多自由度加載系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。如圖1所示。下面分別對每個組成部分進行說明。

（一）試驗平臺基礎

由于試驗平臺及待測系統(tǒng)質量密度大，以及驅動系統(tǒng)輸出的扭矩與多自由度加載系統(tǒng)輸出的彎矩需要試驗平臺下的地面支撐提供巨大的作用反力，常規(guī)的實驗室甚至工廠地面均無法滿足如此大的承載要求。因此，一般需要在試驗平臺下翻開地面，澆筑混凝土，必要時配以鋼筋加強，以滿足試驗平臺與待測系統(tǒng)的承載要求，如圖2所示。

（二）試驗臺架

為了便于進行試驗平臺各組成部分的安裝調整，并將試驗平臺的重量較為均勻地施加于基礎，同時降低試驗過程中的振動對測試數(shù)據(jù)的干擾，建議采用鑄鐵T型槽平臺作為試驗平臺的整體臺架。

鑄鐵T型槽平臺：上面可以有T型槽，用來固定試驗平臺及待測系統(tǒng)，清理試驗時產生的鐵屑或放以固定銷。并可根據(jù)技術要求預留地腳螺栓孔。鑄鐵T型槽平臺可以按照國家標準GB7947－1999加工制造，從而降低制造或采購成本。鑄鐵T型槽平臺外形如圖3所示。

鑄鐵T型槽平臺適用領域：平臺也稱為發(fā)動機測試臺或發(fā)動機試驗工作臺。主要用于發(fā)動機實驗室，為發(fā)動提供測試性能的基礎平臺，適用于各種產品的檢驗工作，檢查零件的尺寸精度或行為偏差，并作精密劃線試驗平臺在機械制造中也是不可缺少的基本工具。是傳動鏈系統(tǒng)測試的重要工具。

鑄鐵T型槽平臺高強度鑄鐵HT200－300工作面硬度為HB170－240，經過兩次人工處理（人工退火600度－700度和自然或振動時效）使平臺的精度穩(wěn)定，耐磨性能好。

除了試驗平臺整體支撐所需的試驗臺架，試驗平臺的驅動系統(tǒng)與多自由度加載系統(tǒng)還需要各配一套獨立的支撐臺架。驅動系統(tǒng)支撐臺架的功能是將驅動系統(tǒng)輸出軸高度調節(jié)到與待測系統(tǒng)同軸的空間位置，即調整驅動系統(tǒng)輸出軸的高度及其與地面夾角的角度，并且支撐臺架只承受驅動轉矩的單個自由度作用反力，因此只需一個結構較為簡單的支撐平臺即可。圖4即為亞琛工業(yè)大學1MW全變頻機艙測試平臺的驅動系統(tǒng)支撐臺架模型。

多自由度加載系統(tǒng)在試驗過程中由于受到不同方向的作用反力，因此其結構強度相對驅動系統(tǒng)支撐臺架而言要求更高，并且需要承受仿真風載的交變載荷，圖5為亞琛工業(yè)大學1MW全變頻機艙測試平臺的加載系統(tǒng)支撐臺架及模型。

圖1 全功率試驗臺構成（試驗臺基礎、液壓與冷卻系統(tǒng)未體現(xiàn)）

圖2 亞琛工業(yè)大學4MW全變頻機艙測試平臺基礎施工現(xiàn)場

圖3 鑄鐵T型槽平臺

圖4 驅動系統(tǒng)支撐臺架

（三）驅動系統(tǒng)

試驗平臺驅動系統(tǒng)的功能與國內目前常規(guī)的風電機組功率試驗臺的驅動系統(tǒng)功能基本一致，結構可采用傳統(tǒng)的三相異步電機+齒輪箱組合形式、直驅電機形式或液壓馬達形式。

三相異步電機+齒輪箱的驅動結構形式在電機試驗臺領域應用較廣，技術也相對更加成熟。但是用于減速的齒輪箱加大了驅動系統(tǒng)的故障發(fā)生風險，增加驅動系統(tǒng)計劃外停機時間；為了補償由于齒輪箱造成的功率損耗，電機不得不增加功率以滿足全功率試驗的功率需求；齒輪箱運轉振動對試驗系統(tǒng)的監(jiān)控裝置造成干擾，并引起巨大噪聲。

液壓馬達具有功率重量比大、調速范圍寬、響應速度快、可以省去傳動環(huán)節(jié)等優(yōu)點。但是需要為其專門配套液壓控制系統(tǒng)，而增加了故障發(fā)生概率，并且液壓系統(tǒng)的維護檢修工作相對機電系統(tǒng)更為復雜，尤其是液壓系統(tǒng)的泄露故障處理；液壓馬達的過載能力弱于驅動電機，而且同異步電機+齒輪箱結構形式一樣存在噪聲大的問題。

直驅電機本質上是一種大力矩的永磁電機，它可以直接與負載連接。這種設計消除了所有機械傳動部件，從而在根本上提高了機器的可靠性，減少了維護時間和費用。通過消除機械傳動帶來的柔性，直接驅動設計避免了對電機和負載進行慣性匹配的困難。同時，定位和速度精度也可以提高多倍。直驅電機的聽覺噪聲相對傳統(tǒng)驅動結構形式降低很多。

結合目前國際上的風電技術研究機構的試驗平臺先進設計經驗，直驅電機正在逐步替代傳統(tǒng)的異步電機+齒輪箱的結構形式，例如Fraunhofer IWES研究所的7MW全功率試驗臺與2014年底計劃竣工的德國亞琛工業(yè)大學的4MW全功率試驗臺均采取了直驅電機的驅動形式（如圖6與圖7所示）。因此，針對聯(lián)合動力1MW全功率試驗臺建議采用直驅電機形式。

（四）多自由度加載系統(tǒng)

所謂多自由度加載系統(tǒng)，是指仿真待測系統(tǒng)在風電場環(huán)境中承受的來自各方向的力或力矩載荷。由于機艙具有偏航對風功能，機艙在水平方向所受的徑向力很小可以忽略，而繞軸向的旋轉扭矩由驅動系統(tǒng)提供，因此加載系統(tǒng)主要提供軸向力（風力主載荷）、豎直方向的徑向力（風輪重力載荷）、繞水平軸的彎矩（偏航產生的載荷）與繞豎直軸的彎矩（傾覆載荷）。以上四類載荷可以通過控制系統(tǒng)操縱的若干液壓缸來實現(xiàn)，載荷大小根據(jù)機組載荷規(guī)范中的極限載荷與疲勞載荷分別施加，如圖8所示。

（五）電氣控制系統(tǒng)

圖5 多自由度加載系統(tǒng)支撐臺架

圖6 7MW全功率試驗臺

圖7 4MW全功率試驗臺

圖8 多自由度加載系統(tǒng)

圖9 試驗平臺控制系統(tǒng)框架

圖10 交變載荷驅動示意圖

為了實現(xiàn)對風電機組啟動——滿負荷運轉——停機連續(xù)過程的前端載荷仿真，葉片變槳工況下的載荷仿真，以及斷網(wǎng)或低電壓穿越等后端載荷仿真，試驗平臺需要具備對待測系統(tǒng)施加交變載荷的能力。仿真交變載荷需要一套系統(tǒng)的控制系統(tǒng)方案，如圖9所示。

為實現(xiàn)交變軸向扭矩載荷，直驅電機前需有一套驅動調速變頻器，用以實現(xiàn)軸向驅動載荷的調速控制。同時為了將待測系統(tǒng)發(fā)出的電能得到充分利用，需要將其送到驅動系統(tǒng)做動力使用，需在調速變頻器前增加一個變壓器T1，同時在待測系統(tǒng)后和電網(wǎng)輸入端前分別增加一個變壓器T2與T3，以避免電網(wǎng)受到待測系統(tǒng)發(fā)出的電能波動干擾。如圖10所示。

（六）液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要用于加載系統(tǒng)提供動力，由于多自由度加載系統(tǒng)需要仿真多變的風力載荷，因此液壓系統(tǒng)需要油缸提供相應的交變動力。液壓系統(tǒng)的詳細方案需要根據(jù)載荷規(guī)范進行設計。

（七）冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)主要用于對試驗臺的直驅電機、調速變頻器、變壓器等發(fā)熱單元進行冷卻。由于試驗臺可以布置在廠房車間內，所以可以采用效率較高的水冷方式。

結語

綜上所述，風電機組多自由度大功率試驗平臺的研發(fā)應用已經成為當前國際風電產業(yè)技術領域的重要方向之一，歐美的多家研究機構甚至已將其作為研發(fā)最新的超大功率風電機組的試驗認證手段，并在不斷的改進完善，因此針對中國風能資源特點開發(fā)適合風電機組的試驗平臺也應當被提上議事日程。

試驗平臺不僅可以用于風電機組整機廠的新機型開發(fā)測試，還可以與認證機構合作用于認證測試方法研究，或是聯(lián)合國內研究機構對風電機組傳動鏈以及機艙模型進行修正與優(yōu)化，進而提升仿真測試的準確性與可信度，并大幅降低試驗成本。總之，試驗平臺不僅可以為風電機組的研發(fā)提供支撐，還可以成為風電行業(yè)的一個利潤增長點。