大型風電機組整機測試用全工況載荷施加技術(shù)及裝備研究

　　 0 引言
　　風能是目前最具規(guī)模化開發(fā)的可再生能源。近年來，國內(nèi)外風電裝機量大幅攀升，與此同時，風力發(fā)電技術(shù)也突飛猛進，各種技術(shù)流派的新型風電機組大量出現(xiàn)[1-2]。對于新型樣機，在實驗車間內(nèi)搭建測試平臺，全面模擬其實際工作時所受載荷，并進行嚴格的性能考核測試，不僅能發(fā)現(xiàn)潛在的故障隱患，還可根據(jù)實測數(shù)據(jù)優(yōu)化機組設(shè)計參數(shù)[3-4]。因此，該階段的測試工作是新型風電機組尤其是海上風電機組開發(fā)過程中的重要環(huán)節(jié)。
　　風電機組的工作載荷來自風輪，由于大型風電機組載荷情況復雜，且風輪尺寸巨大，如何在實驗車間內(nèi)有效模擬風輪帶給機艙的各種載荷是樣機測試領(lǐng)域的主要難題。目前，多數(shù)新型風電機組的廠內(nèi)測試僅施加用于驅(qū)動發(fā)電機的扭矩載荷，忽略了實際工作過程中風輪帶給機組的推力、彎矩等非扭矩載荷。而上述非扭矩載荷對機組的性能與壽命影響重大。因此，本文針對全工況載荷施加技術(shù)展開研究，并提出一種含非扭矩載荷成分的新型載荷施加裝備。
　　1 總體技術(shù)方案
　　風電機組在工作過程中通過風輪吸收來自風中的能量，并將風載荷傳遞至機艙，如圖1 所示。

圖1 機艙載荷示意圖

　　按圖1 坐標系，可將機艙輸入軸A 點所受載荷分解為6 個分量：Fx、Fy、Fz、Mx、My、Mz。其中Mx 是用于驅(qū)動電機發(fā)電的扭矩載荷，其余5 個分量統(tǒng)稱為非扭矩載荷。
　　根據(jù)以上分析，本文采用扭矩載荷與非扭矩載荷先分別施加再最終耦合的總體技術(shù)方案。首先采用變頻電機與變速齒輪箱組合提供扭矩載荷Mx，再利用沿不同方向布置的多組液壓缸協(xié)同加載提供其余5 個載荷分量，最后通過載荷耦合裝置將上述兩類載荷最終耦合并傳遞至被測機組。
　　實驗裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 總體方案簡圖

　　其中：A 為被測風電機組；B 為扭矩施加裝置（提供扭矩Mx）；C 為非扭矩載荷施加裝置；D 為載荷耦合裝置。
　　2 扭矩載荷施加
　　扭矩載荷Mx 的模擬采用變頻電機與減速齒輪箱組合予以實現(xiàn)。為降低能耗測試實驗裝置采用電閉環(huán)模式，驅(qū)動電機拖動被測機組發(fā)電，產(chǎn)生的電能再回饋至驅(qū)動端。
　　扭矩載荷施加裝置除提供恒定扭矩載荷外，還需具備動態(tài)載荷模擬能力。通過對驅(qū)動側(cè)變頻器及被測機組的聯(lián)合控制，有效模擬各種湍流、陣風帶給機組的瞬變載荷。
　　驅(qū)動電機、變頻器以及變壓器是構(gòu)成扭矩載荷施加裝置的核心電氣元件，這三者間的電氣參數(shù)匹配性直接決定整套裝置的性能水平。為此，需要進行多輪聯(lián)合仿真，綜合考慮各方技術(shù)難度與成本因素，選取最優(yōu)參數(shù)組合。電氣拓撲圖如圖3 所示。

圖3 電氣系統(tǒng)拓撲圖

　　此外，由于大型風電機組驅(qū)動功率大，且受葉尖線速度限制，風輪轉(zhuǎn)速低，導致驅(qū)動扭矩Mx 數(shù)值巨大。因此，驅(qū)動電機級數(shù)與齒輪箱的傳動比亦需綜合考慮，選取最優(yōu)組合，以降低加工難度與制造成本。