基于機艙傳遞函數(shù)的風電機組傳動鏈效率測試與研究*

余清清，葉 浩，方郁鋒，潘 特，孫棟健，任 靜

(浙江運達風電股份有限公司 風力發(fā)電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

0 引 言

由于國內(nèi)風電場環(huán)境惡劣，機組在不同環(huán)境下的傳動鏈損耗存在差異，且現(xiàn)階段開發(fā)的風資源基本以低風速為主，傳動鏈效率高低對機組性能影響尤為明顯，甚至對整個風電場的年發(fā)電量有著較大影響。

目前，國內(nèi)各家風電制造商普遍用傳動鏈效率的理論計算值來進行機組建模及控制策略開發(fā)，使得機組在實際運行的性能與理論設計之間存在著明顯的差異，尤其是機組服役多年后，傳動鏈的效率已明顯發(fā)生了變化，那么能測得機組實際傳動鏈效率就顯得尤為重要[1]。

目前，國內(nèi)外針對風電機組傳動鏈效率的測試有以下兩種方法較為常見：(1)在理想工況下測得傳動鏈中單個部件的效率后進行累加計算，該方法的缺點是和實際工況不符，測試結(jié)果的準確度可靠性欠佳，且對服役多年后的機組無法進行測試評估；(2)在風電場利用測風塔等傳統(tǒng)測試設備進行實測統(tǒng)計，該方法雖然彌補了前者的缺點，但是存在著測試成本高、測試周期長、維護不便等缺點，無法得到廣泛應用[2-3]。

因此，本文介紹一種基于機艙傳遞函數(shù)(NTF)的風電機組傳動鏈效率測試方法，利用機艙風速計測得的風速，通過機艙傳遞函數(shù)關(guān)系修正為葉輪前方真實的自由來流風速。

1 傳動鏈效率理論及測試裝置介紹

風力發(fā)電機組傳動鏈是風能轉(zhuǎn)化為電能的媒介，雙饋式機組傳動鏈包含了風輪、低速軸、變速箱、高速聯(lián)軸器及發(fā)電機的整個能量轉(zhuǎn)化的硬件部分，風電機組能量轉(zhuǎn)換和傳輸主要包括風能捕獲，能量傳遞和機電能量轉(zhuǎn)換，是將風能轉(zhuǎn)化為機械能，再將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程，整個過程存在著能量損失，從而決定著機組傳動的效率優(yōu)劣。

風力發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換和傳輸如圖1所示。

圖1 風力發(fā)電機組能量轉(zhuǎn)換和傳輸

風力發(fā)電機組所捕獲的是風的動能，其大小可以由風功率Pw來表示。風功率是指單位時間t內(nèi)，以速度v垂直流過截面A的氣流所具有的動能。

風功率Pw表達式為：

(1)

式中：ρ—空氣密度；v—來流速度；A—機組的掃風面積。

風電機組利用風輪將風的動能轉(zhuǎn)換成風輪旋轉(zhuǎn)的動能，從而把風輪輸出功率傳遞給主傳動系統(tǒng)，完成風能到機械能的轉(zhuǎn)換，風輪的輸出功率即為主傳動系統(tǒng)輸入功率，則主傳動系統(tǒng)輸入功率為：

Pm=MmΩm=Pwη1

(2)

式中：Pm—主傳動系統(tǒng)的輸入功率；Mm—主傳動系統(tǒng)的輸入轉(zhuǎn)矩；Ωm—主傳動系統(tǒng)的角速度；η1—風輪利用率。

主傳動系統(tǒng)將能量傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)把機械能轉(zhuǎn)換為電能。發(fā)電系統(tǒng)的輸出電功率為：

(3)

式中：Pe—風電機組輸出電功率(該功率為除去機組自損耗后的凈功率)；U—風電機組網(wǎng)側(cè)線電壓；I—風電機組網(wǎng)側(cè)線電流；cosφ—功率因數(shù)；η2—傳動系統(tǒng)效率。

從式(1～3)可以看出：傳動鏈效率可拆分為風輪利用率和傳動系統(tǒng)效率。要想測得傳動鏈效率必須得到空氣密度、風速、掃風面積、主傳動系統(tǒng)角速度、主傳動系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)矩以及機組輸出電功率等數(shù)據(jù)[4-5]。

風力發(fā)電機組傳動鏈效率測試裝置主要由測風數(shù)據(jù)采集單元、功率數(shù)據(jù)采集單元、載荷數(shù)據(jù)采集單元、主采集單元四部分構(gòu)成。傳統(tǒng)測試方法采集測風數(shù)據(jù)的設備主要由測風塔以及風速風向儀等測風設備組成，用于采集風速、風向、氣壓和氣溫等氣象數(shù)據(jù)，而本文介紹的測試方法是用機艙風速計來替代傳統(tǒng)的測風裝置，利用機艙傳遞函數(shù)準確獲取來流速度；功率數(shù)據(jù)采集單元主要設備是功率變送器、電流互感器，用于采集電壓、電流及電功率等數(shù)據(jù)；載荷數(shù)據(jù)采集單元主要設備是應變片、應變采集模塊，用于采集傳動鏈轉(zhuǎn)矩等信號；主采集單元主要設備是主采集模塊、工控機、無線遠程模塊，用于采集試驗機組狀態(tài)信號，同時匯集其他采集單元的數(shù)據(jù)，并能進行遠程監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸，各采集模塊以CAN總線通訊方式同步采集分布在機組各測點的信號[6-7]。

傳動鏈效率測試裝置拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳動鏈效率測試裝置拓撲結(jié)構(gòu)

2 機艙傳遞函數(shù)分析

2.1 機艙傳遞函數(shù)的建立

由于機艙風速計安裝位置在機艙頂部風輪后方，易受風輪和機艙影響，氣流會發(fā)生畸變。實際上，機艙風速與測風塔風速呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，將機艙風速利用函數(shù)關(guān)系校正為輪轂高度葉輪前方自由流風速，一般將該函數(shù)稱為機艙傳遞函數(shù)。

參考IEC61400-12-2標準中的Bin方法，筆者將測風塔風速和機艙風速以0.5 m/s風速分區(qū)間，利用下列公式分別計算出每個Bin區(qū)間的機艙風速均值和測風塔風速均值：

(4)

(5)

式中：Vnacelle，i—在區(qū)間i的機艙風速平均值；Vfree，i—在區(qū)間i的測風塔風速平均值；Vnacelle，i，j—在區(qū)間i中的第j個的機艙風速；Vfree，i，j—在區(qū)間i中的第j個的測風塔風速；Ni—在區(qū)間i的測試數(shù)據(jù)的數(shù)量。

利用下列公式得到區(qū)間i的函數(shù)關(guān)系式的斜率si和oi：

(6)

oi=Vfree，i-siVnacelle，i

(7)

最終可得機艙自由流風速：

Vfree=Vnacellesi-oi

(8)

式中：Vfree—利用實測機艙風速和測風塔風速估算并針對地形引起的氣流畸變修正后的自由流風速；Vnacelle——機艙風速計實測值。

機艙傳遞函數(shù)定義為每個區(qū)間內(nèi)的機艙風速Vnacelle作為Vfree的函數(shù)，從而實現(xiàn)二者之間最優(yōu)擬合關(guān)系，只在最小風速區(qū)間至最大風速區(qū)間內(nèi)有效，不允許NTF外推。

在實際應用中，如果機艙風速傳遞函數(shù)尚未得到，那么就應先測量機艙風速傳遞函數(shù)，如已測得傳遞函數(shù)，則需要驗證該傳遞函數(shù)的有效性[8]。

2.2 機艙傳遞函數(shù)有效性檢查

機艙傳遞函數(shù)的應用需滿足一定條件，也就是在應用前需對測試機組及場地進行評估，對NTF進行有效性檢查，機艙傳遞函數(shù)有效性檢查流程如圖3所示(其中風電機組A獲得了機艙傳遞函數(shù)，風電機組B是測試機組)。

圖3 機艙傳遞函數(shù)有效性檢查流程

2.3 機艙傳遞函數(shù)的應用

本研究在確定機艙傳遞函數(shù)有效性通過以后，對被試機組進行現(xiàn)場實測。首先將實測機艙風速根據(jù)上述介紹的NTF修正為Vfree，由于現(xiàn)場環(huán)境時刻變化，需要對修正后10 min平均風速進行標準化處理，利用下列公式得到標準空氣密度下的機艙風速：

(9)

式中：Vn—標準化的機艙風速；Vf10min—根據(jù)NTF修正后的10 min平均機艙風速；ρ10 min—10 min內(nèi)平均空氣密度；ρ0—標準空氣密度。

本研究對標準化的數(shù)據(jù)用分區(qū)間式處理，即標準化后的數(shù)據(jù)以0.5 m/s分區(qū)，利用公式(1～3)計算得到各風速區(qū)間內(nèi)的風輪利用率、傳動系統(tǒng)效率，最終得到標準空氣密度下的測試曲線。由于經(jīng)過標準化處理，測試曲線不僅可以在同一風場不同機組或者不同風場不同機組進行橫向比較，也可對服役多年后的同一機組進行縱向比較。

3 測試結(jié)果比對與分析

依據(jù)上述理論分析，基于機艙傳遞函數(shù)有效性，筆者選擇浙江某風場某臺2.0 MW風力發(fā)電機組開展現(xiàn)場傳動鏈效率測試，該類型機組已獲得機艙傳遞函數(shù)，且地形符合機艙傳遞函數(shù)的應用要求，可通過有效性檢查。同時，利用測風塔的測試設備在同一時間對該機組進行傳動鏈效率測試，將兩者的測試結(jié)果進行比對。

被試機組主要參數(shù)如表1所示。

表1 被試機組的主要參數(shù)

本研究依據(jù)IEC61400-12-1規(guī)定的扇區(qū)計算方法，確定被試機組有效扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)及標準要求篩選數(shù)據(jù)[9]。氣象數(shù)據(jù)、機組狀態(tài)信號采樣率至少1 Hz，功率數(shù)據(jù)、載荷數(shù)據(jù)采樣率至少為50 Hz，在進行數(shù)據(jù)分析時需將所有數(shù)據(jù)以相同采樣率處理。筆者利用已知機艙傳遞函數(shù)，將機艙風速折算為機艙自由流風速。

由計算可知被試機組利用機艙傳遞函數(shù)的方法實測數(shù)據(jù)。實測風輪利用率散點如圖4所示。

圖4 實測風輪利用率散點圖

實測傳動系統(tǒng)效率散點如圖5所示。

圖5 實測傳動系統(tǒng)效率散點圖

本研究將利用機艙傳遞函數(shù)的實測風輪利用率平均值和利用測風塔測量的實測風輪利用率平均值進行比對，風輪利用率對比如圖6所示。

圖6 風輪利用率對比圖

本研究將利用機艙傳遞函數(shù)的實測傳動系統(tǒng)效率平均值和利用測風塔測量的實測傳動系統(tǒng)效率平均值進行比對，傳動系統(tǒng)效率對比如圖7所示。

圖7 傳動系統(tǒng)效率對比圖

從圖(6，7)可知：

(1)利用分區(qū)間式機艙傳遞函數(shù)測得的傳動鏈效率的結(jié)果和利用測風塔測得的結(jié)果基本一致；

(2)利用分區(qū)間式機艙傳遞函數(shù)進行風電機組傳動鏈效率測試可以應用實際。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種基于機艙傳遞函數(shù)的風電機組傳動鏈效率的測試裝置原理、測試方法及應用范圍，并通過現(xiàn)場測試驗證了利用NTF開展風電機組傳動鏈效率測試的可行性。結(jié)果表明：利用NTF測試方法測得的結(jié)果與傳統(tǒng)測試方法測得的結(jié)果基本一致，驗證了測試數(shù)據(jù)的準確性和可靠性；其次在本次比對測試中，前者比后者降低了近20萬元的測試費用，同時還減少了近15個工作日的裝配時間，驗證了該方法能在實際應用中大幅降低測試成本及測試周期。

利用NTF的傳動鏈效率測試方法具有一定的魯棒性，不僅可對服役多年后的同一機組進行縱向比較，也可對處在類似地形等級中同一機型的不同機組進行橫向比較，實測結(jié)果有助于優(yōu)化風電機組建模及控制策略。

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