余清清，葉 浩，方郁鋒，潘 特，孫棟健，任 靜

(浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

0 引 言

由于國(guó)內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)環(huán)境惡劣，機(jī)組在不同環(huán)境下的傳動(dòng)鏈損耗存在差異，且現(xiàn)階段開發(fā)的風(fēng)資源基本以低風(fēng)速為主，傳動(dòng)鏈效率高低對(duì)機(jī)組性能影響尤為明顯，甚至對(duì)整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的年發(fā)電量有著較大影響。

目前，國(guó)內(nèi)各家風(fēng)電制造商普遍用傳動(dòng)鏈效率的理論計(jì)算值來(lái)進(jìn)行機(jī)組建模及控制策略開發(fā)，使得機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行的性能與理論設(shè)計(jì)之間存在著明顯的差異，尤其是機(jī)組服役多年后，傳動(dòng)鏈的效率已明顯發(fā)生了變化，那么能測(cè)得機(jī)組實(shí)際傳動(dòng)鏈效率就顯得尤為重要[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率的測(cè)試有以下兩種方法較為常見(jiàn)：(1)在理想工況下測(cè)得傳動(dòng)鏈中單個(gè)部件的效率后進(jìn)行累加計(jì)算，該方法的缺點(diǎn)是和實(shí)際工況不符，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度可靠性欠佳，且對(duì)服役多年后的機(jī)組無(wú)法進(jìn)行測(cè)試評(píng)估；(2)在風(fēng)電場(chǎng)利用測(cè)風(fēng)塔等傳統(tǒng)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，該方法雖然彌補(bǔ)了前者的缺點(diǎn)，但是存在著測(cè)試成本高、測(cè)試周期長(zhǎng)、維護(hù)不便等缺點(diǎn)，無(wú)法得到廣泛應(yīng)用[2-3]。

因此，本文介紹一種基于機(jī)艙傳遞函數(shù)(NTF)的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率測(cè)試方法，利用機(jī)艙風(fēng)速計(jì)測(cè)得的風(fēng)速，通過(guò)機(jī)艙傳遞函數(shù)關(guān)系修正為葉輪前方真實(shí)的自由來(lái)流風(fēng)速。

1 傳動(dòng)鏈效率理論及測(cè)試裝置介紹

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈?zhǔn)秋L(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能的媒介，雙饋式機(jī)組傳動(dòng)鏈包含了風(fēng)輪、低速軸、變速箱、高速聯(lián)軸器及發(fā)電機(jī)的整個(gè)能量轉(zhuǎn)化的硬件部分，風(fēng)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換和傳輸主要包括風(fēng)能捕獲，能量傳遞和機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程，整個(gè)過(guò)程存在著能量損失，從而決定著機(jī)組傳動(dòng)的效率優(yōu)劣。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換和傳輸如圖1所示。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組能量轉(zhuǎn)換和傳輸

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所捕獲的是風(fēng)的動(dòng)能，其大小可以由風(fēng)功率Pw來(lái)表示。風(fēng)功率是指單位時(shí)間t內(nèi)，以速度v垂直流過(guò)截面A的氣流所具有的動(dòng)能。

風(fēng)功率Pw表達(dá)式為：

(1)

式中：ρ—空氣密度；v—來(lái)流速度；A—機(jī)組的掃風(fēng)面積。

風(fēng)電機(jī)組利用風(fēng)輪將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能，從而把風(fēng)輪輸出功率傳遞給主傳動(dòng)系統(tǒng)，完成風(fēng)能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，風(fēng)輪的輸出功率即為主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率，則主傳動(dòng)系統(tǒng)輸入功率為：

Pm=MmΩm=Pwη1

(2)

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

主傳動(dòng)系統(tǒng)將能量傳遞給發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)把機(jī)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(fēng)電機(jī)組輸出電功率(該功率為除去機(jī)組自損耗后的凈功率)；U—風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)線電壓；I—風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)線電流；cosφ—功率因數(shù)；η2—傳動(dòng)系統(tǒng)效率。

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

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率測(cè)試裝置主要由測(cè)風(fēng)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(cè)試方法采集測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)的設(shè)備主要由測(cè)風(fēng)塔以及風(fēng)速風(fēng)向儀等測(cè)風(fēng)設(shè)備組成，用于采集風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓和氣溫等氣象數(shù)據(jù)，而本文介紹的測(cè)試方法是用機(jī)艙風(fēng)速計(jì)來(lái)替代傳統(tǒng)的測(cè)風(fēng)裝置，利用機(jī)艙傳遞函數(shù)準(zhǔn)確獲取來(lái)流速度；功率數(shù)據(jù)采集單元主要設(shè)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(shè)備是應(yīng)變片、應(yīng)變采集模塊，用于采集傳動(dòng)鏈轉(zhuǎn)矩等信號(hào)；主采集單元主要設(shè)備是主采集模塊、工控機(jī)、無(wú)線遠(yuǎn)程模塊，用于采集試驗(yàn)機(jī)組狀態(tài)信號(hào)，同時(shí)匯集其他采集單元的數(shù)據(jù)，并能進(jìn)行遠(yuǎn)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(jī)組各測(cè)點(diǎn)的信號(hào)[6-7]。

傳動(dòng)鏈效率測(cè)試裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)鏈效率測(cè)試裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 機(jī)艙傳遞函數(shù)分析

2.1 機(jī)艙傳遞函數(shù)的建立

由于機(jī)艙風(fēng)速計(jì)安裝位置在機(jī)艙頂部風(fēng)輪后方，易受風(fēng)輪和機(jī)艙影響，氣流會(huì)發(fā)生畸變。實(shí)際上，機(jī)艙風(fēng)速與測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速呈現(xiàn)一定的函數(shù)關(guān)系，將機(jī)艙風(fēng)速利用函數(shù)關(guān)系校正為輪轂高度葉輪前方自由流風(fēng)速，一般將該函數(shù)稱為機(jī)艙傳遞函數(shù)。

參考IEC61400-12-2標(biāo)準(zhǔn)中的Bin方法，筆者將測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速和機(jī)艙風(fēng)速以0.5 m/s風(fēng)速分區(qū)間，利用下列公式分別計(jì)算出每個(gè)Bin區(qū)間的機(jī)艙風(fēng)速均值和測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速均值：

(4)

(5)

式中：Vnacelle，i—在區(qū)間i的機(jī)艙風(fēng)速平均值；Vfree，i—在區(qū)間i的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速平均值；Vnacelle，i，j—在區(qū)間i中的第j個(gè)的機(jī)艙風(fēng)速；Vfree，i，j—在區(qū)間i中的第j個(gè)的測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速；Ni—在區(qū)間i的測(cè)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(jī)艙自由流風(fēng)速：

Vfree=Vnacellesi-oi

(8)

式中：Vfree—利用實(shí)測(cè)機(jī)艙風(fēng)速和測(cè)風(fēng)塔風(fēng)速估算并針對(duì)地形引起的氣流畸變修正后的自由流風(fēng)速；Vnacelle——機(jī)艙風(fēng)速計(jì)實(shí)測(cè)值。

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

在實(shí)際應(yīng)用中，如果機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù)尚未得到，那么就應(yīng)先測(cè)量機(jī)艙風(fēng)速傳遞函數(shù)，如已測(cè)得傳遞函數(shù)，則需要驗(yàn)證該傳遞函數(shù)的有效性[8]。

2.2 機(jī)艙傳遞函數(shù)有效性檢查

機(jī)艙傳遞函數(shù)的應(yīng)用需滿足一定條件，也就是在應(yīng)用前需對(duì)測(cè)試機(jī)組及場(chǎng)地進(jìn)行評(píng)估，對(duì)NTF進(jìn)行有效性檢查，機(jī)艙傳遞函數(shù)有效性檢查流程如圖3所示(其中風(fēng)電機(jī)組A獲得了機(jī)艙傳遞函數(shù)，風(fēng)電機(jī)組B是測(cè)試機(jī)組)。

圖3 機(jī)艙傳遞函數(shù)有效性檢查流程

2.3 機(jī)艙傳遞函數(shù)的應(yīng)用

本研究在確定機(jī)艙傳遞函數(shù)有效性通過(guò)以后，對(duì)被試機(jī)組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。首先將實(shí)測(cè)機(jī)艙風(fēng)速根據(jù)上述介紹的NTF修正為Vfree，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境時(shí)刻變化，需要對(duì)修正后10 min平均風(fēng)速進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，利用下列公式得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的機(jī)艙風(fēng)速：

(9)

式中：Vn—標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)艙風(fēng)速；Vf10min—根據(jù)NTF修正后的10 min平均機(jī)艙風(fēng)速；ρ10 min—10 min內(nèi)平均空氣密度；ρ0—標(biāo)準(zhǔn)空氣密度。

本研究對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)用分區(qū)間式處理，即標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)以0.5 m/s分區(qū)，利用公式(1～3)計(jì)算得到各風(fēng)速區(qū)間內(nèi)的風(fēng)輪利用率、傳動(dòng)系統(tǒng)效率，最終得到標(biāo)準(zhǔn)空氣密度下的測(cè)試曲線。由于經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理，測(cè)試曲線不僅可以在同一風(fēng)場(chǎng)不同機(jī)組或者不同風(fēng)場(chǎng)不同機(jī)組進(jìn)行橫向比較，也可對(duì)服役多年后的同一機(jī)組進(jìn)行縱向比較。

3 測(cè)試結(jié)果比對(duì)與分析

依據(jù)上述理論分析，基于機(jī)艙傳遞函數(shù)有效性，筆者選擇浙江某風(fēng)場(chǎng)某臺(tái)2.0 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組開展現(xiàn)場(chǎng)傳動(dòng)鏈效率測(cè)試，該類型機(jī)組已獲得機(jī)艙傳遞函數(shù)，且地形符合機(jī)艙傳遞函數(shù)的應(yīng)用要求，可通過(guò)有效性檢查。同時(shí)，利用測(cè)風(fēng)塔的測(cè)試設(shè)備在同一時(shí)間對(duì)該機(jī)組進(jìn)行傳動(dòng)鏈效率測(cè)試，將兩者的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

被試機(jī)組主要參數(shù)如表1所示。

表1 被試機(jī)組的主要參數(shù)

本研究依據(jù)IEC61400-12-1規(guī)定的扇區(qū)計(jì)算方法，確定被試機(jī)組有效扇區(qū)，根據(jù)扇區(qū)及標(biāo)準(zhǔn)要求篩選數(shù)據(jù)[9]。氣象數(shù)據(jù)、機(jī)組狀態(tài)信號(hào)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(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)需將所有數(shù)據(jù)以相同采樣率處理。筆者利用已知機(jī)艙傳遞函數(shù)，將機(jī)艙風(fēng)速折算為機(jī)艙自由流風(fēng)速。

由計(jì)算可知被試機(jī)組利用機(jī)艙傳遞函數(shù)的方法實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。實(shí)測(cè)風(fēng)輪利用率散點(diǎn)如圖4所示。

圖4 實(shí)測(cè)風(fēng)輪利用率散點(diǎn)圖

實(shí)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)效率散點(diǎn)如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)效率散點(diǎn)圖

本研究將利用機(jī)艙傳遞函數(shù)的實(shí)測(cè)風(fēng)輪利用率平均值和利用測(cè)風(fēng)塔測(cè)量的實(shí)測(cè)風(fēng)輪利用率平均值進(jìn)行比對(duì)，風(fēng)輪利用率對(duì)比如圖6所示。

圖6 風(fēng)輪利用率對(duì)比圖

本研究將利用機(jī)艙傳遞函數(shù)的實(shí)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)效率平均值和利用測(cè)風(fēng)塔測(cè)量的實(shí)測(cè)傳動(dòng)系統(tǒng)效率平均值進(jìn)行比對(duì)，傳動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比如圖7所示。

圖7 傳動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比圖

從圖(6，7)可知：

(1)利用分區(qū)間式機(jī)艙傳遞函數(shù)測(cè)得的傳動(dòng)鏈效率的結(jié)果和利用測(cè)風(fēng)塔測(cè)得的結(jié)果基本一致；

(2)利用分區(qū)間式機(jī)艙傳遞函數(shù)進(jìn)行風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率測(cè)試可以應(yīng)用實(shí)際。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于機(jī)艙傳遞函數(shù)的風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率的測(cè)試裝置原理、測(cè)試方法及應(yīng)用范圍，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試驗(yàn)證了利用NTF開展風(fēng)電機(jī)組傳動(dòng)鏈效率測(cè)試的可行性。結(jié)果表明：利用NTF測(cè)試方法測(cè)得的結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)試方法測(cè)得的結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性；其次在本次比對(duì)測(cè)試中，前者比后者降低了近20萬(wàn)元的測(cè)試費(fèi)用，同時(shí)還減少了近15個(gè)工作日的裝配時(shí)間，驗(yàn)證了該方法能在實(shí)際應(yīng)用中大幅降低測(cè)試成本及測(cè)試周期。

利用NTF的傳動(dòng)鏈效率測(cè)試方法具有一定的魯棒性，不僅可對(duì)服役多年后的同一機(jī)組進(jìn)行縱向比較，也可對(duì)處在類似地形等級(jí)中同一機(jī)型的不同機(jī)組進(jìn)行橫向比較，實(shí)測(cè)結(jié)果有助于優(yōu)化風(fēng)電機(jī)組建模及控制策略。

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