大型風電機組整機測試用全工況載荷施加技術及裝備研究

　　 0 引言
　　風能是目前最具規模化開發的可再生能源。近年來，國內外風電裝機量大幅攀升，與此同時，風力發電技術也突飛猛進，各種技術流派的新型風電機組大量出現[1-2]。對于新型樣機，在實驗車間內搭建測試平臺，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，不僅能發現潛在的故障隱患，還可根據實測數據優化機組設計參數[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過程中的重要環節。
　　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，如何在實驗車間內有效模擬風輪帶給機艙的各種載荷是樣機測試領域的主要難題。目前，多數新型風電機組的廠內測試僅施加用于驅動發電機的扭矩載荷，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 是用于驅動電機發電的扭矩載荷，其余5 個分量統稱為非扭矩載荷。
　　根據以上分析，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。
　　實驗裝置的總體結構如圖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。為降低能耗測試實驗裝置采用電閉環模式，驅動電機拖動被測機組發電，產生的電能再回饋至驅動端。
　　扭矩載荷施加裝置除提供恒定扭矩載荷外，還需具備動態載荷模擬能力。通過對驅動側變頻器及被測機組的聯合控制，有效模擬各種湍流、陣風帶給機組的瞬變載荷。
　　驅動電機、變頻器以及變壓器是構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，需要進行多輪聯合仿真，綜合考慮各方技術難度與成本因素，選取最優參數組合。電氣拓撲圖如圖3 所示。

圖3 電氣系統拓撲圖

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