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风力发电机组夏季高温限功率现象探索

2018-09-19 14:35:29来源:郭鹏 甘肃电投鼎新风电有限责任公司浏览: 评论:0

  风力发电机组是风电系统的关键设备,很多国家为此进行了大量的投资,就风力发电机组的材料、结构、发电机控制技术、功率容量以及可靠性等展开研究,其技术也取得了长足的进步。但国内发电机组在设计研发、运营维护等方面还是有一定的短板存在,下面就以国产主流机型为例,对风力发电机组的夏季高温限功率现象进行分析探索。

  在经历了十几年的快速发展之后,我国的风电装机量稳居全球装机量首位,同时也有着世界第一的需维护风电装机量。对于风电运营维护来说,时间以及经验的积累都很重要。在风电场运行维护中会遇到很多问题,风力发电机组夏季高温限功率是有代表性的问题之一。

  1夏季运行高温限功率的现象

  当今主流风力发电机组的机型大致分为两种,一种是传统的三叶片水平轴变速变桨恒频双馈异步风力发电机组;另一种是三叶片水平轴变速变桨恒频直驱永磁风力发电机组。两种机型由于发电结构的不同而各具特色。但面对夏季高温运行,限功率运行、甚至由此报故障停机的现象时有发生。

  1.1三叶片水平轴变速变桨恒频双馈异步风力发电机组,以叶轮、齿轮箱、发电机增速传动的形式,将风能转化为电能。在其传动链上,齿轮箱是关键的一个环节,将9-17.5rpm的转速按照大约104倍的比例,进行增速,达到双馈异步发电机所需要的1300-1800rpm的转速。高转速相应的摩擦力会升高,齿轮箱带有一套独立的冷却系统,通过对其润滑介质油的冷却,从而达到冷却传动轴的效果,但面对夏季炎热的戈壁,齿轮箱还是会出现齿轮油、高速轴高温限功率运行,甚至报故障停机的现象。另外,发电机在夏季运行出现驱动侧和非驱动侧温度高,也会影响风力发电机组的功率输出。以上两个现象导致了夏季风电场由于场内设备的问题,大量弃风,据2011年至2013年国内某风电基地十余家风电场夏季由于高温造成场内弃风的数据统计,双馈异步风力发电机组高温限功率的现象从每年5月初开始,一直持续至9月底,长达5个月,其中7、8月尤为严重,以200MW的风电场来说,最为严重时,达到满发风速时,风电场的总出力只能达到70MW,相当于总出力的三分之一。

  1.2三叶片水平轴变速变桨恒频直驱永磁风力发电机组,该机型减少了齿轮箱的环节,由叶轮直接驱动发电机,转速范围为7-17rpm。传动链结构简单,机械损耗少是其特点之一,但由于发电机为直驱永磁发电机,所发出的电能需要通过全功率的变频器来完成整流、斩波-升压-逆变等过程,来达到并网的要求。一般情况下,该类机型所使用的全功率变频器是利用绝缘栅双极型晶体管IGBT的通断功能来完成,由于IGBT的频繁通断,会造成IGBT发热,同时会产生谐波电流,电能质量也较差。虽然IGBT有两个庞大的风扇对其进行冷却,但夏季高温情况下运行,也会出现由于温度高而故障停机的现象。据某风电场运行情况统计,在夏季高温期间,需要提前限定功率,达到控制IGBT温度的效果。虽然运行情况要好于双馈异步型风力发电机组,但夏季运行高温限功率的问题,也一直存在。

  2夏季运行高温限功率的现象的原因分析

  根据现场对两种机型高温限功率情况的检查与分析,该问题的存在是由风力发电机组在设计上以及日常的维护中存在短板,由于内因和外患的存在,导致了风力发电机组有此顽疾。下面就分别对两种机型存在的问题分别说明。

  2.1三叶片水平轴变速变桨恒频双馈异步风力发电机组,齿轮箱和发电机的温度超标导致风力发电机组限功率运行,根据其温度情况的不同,限功率的程度也不同。以华锐SL1500/82型风力发电机组来说,一般情况下是南高齿/大重齿,外加天元发电机/永济发电机的配置,其保护定值为齿轮箱油温75℃,齿轮箱轴温85℃限功率运行,发电机驱动侧和非驱动侧轴承温度达到100℃及以上后限功率运行,严重的情况下,一台功率为1500KW的机组,在达到满发的条件下,功率只能发到400KW左右,运行稳定性以及经济型大打折扣。

  通过对照比较,该类机型在设计上存在以下问题:

  (1)齿轮箱油冷系统散热功率不能满足夏季高温情况下的运行。齿轮箱油冷系统分别由供油循环单元、冷却单元、控制单元组成,冷却原理为,当油温>45℃时,齿轮油通过冷却散热片进行换热,达到冷却的效果;当油温>55℃时,齿轮油通过冷却散热片,并且油冷却风扇启动,进行换热处理。影响换热效果的两个因素,第一是冷却散热片的材质,这个是决定换热效果的重点,材质选择的不同,其换热效果差异很大。举例说明,冬季取暖用的暖器一般由铸铁或铝合金材质制作。两种材质暖器的使用效果也不同,其中铸铁暖器温升率低,也就是说,冷、热的速度都比较慢;铝合金材质的则相反,冷、热迅速,效果立竿见影。引申回齿轮箱冷却散热片,冷却散热片材质的选择不仅仅需要考虑散热的效果,同时需要考虑材质的强度、耐腐蚀程度以及价格等因素,因此使用性价比高的材质,是关键所在。第二是冷却风扇的功率,这个因素受风力发电机组机舱尺寸的影响,一般情况下,不会很大,而且要与散热片之间需要构建一个散热的冷却风道,经过实地检查,部分机组夏季运行高温限功率是由于风道帆布脱落或者冷却风扇故障而造成的,但该现象可以通过改造风道的结构来避免,所以说冷却风扇功率不足和风道的结构不合理,是原因之一,但不是主要原因。

  (2)风力发电机组的机舱设计存在一定的缺陷。风力发电机组的机舱设计上只考虑到防雨雪、防沙尘,相对比较密闭,未考虑到机舱内部存在大量的发热设备,齿轮箱、发电机、变频器等均为发热设备,在相对密闭的空间,热量不能通畅的排出,造成设备整体温升较高。

  通过实地检查发现,在日常的维护上存在以下问题:

  (1)散热片、冷却风扇在日常维护中,没有及时的进行清理。齿轮箱普遍存在渗漏油的问题,夏季,高温导致渗漏出的油气化,附带着灰尘粘附在散热片和油冷风扇上,这样导致冷却效率大大降低,造成齿轮箱油温、轴温升高。

  (2)齿轮箱输出轴与发电机驱动侧轴承偏心度超标。传动链的偏心度超标,会导致轴变形以及摩擦力增大,使齿轮箱油温、轴温升高,最终导致齿轮箱和发电机轴与轴承损坏。

  (3)齿轮油过滤滤芯、空气滤芯未按要求更换。按照齿轮箱运检规程,齿轮箱在首次运行三个月或者运行2000小时必须进行齿轮油的更换工作;在使用36个月,必须对齿轮油进行更换工作;齿轮箱油过滤滤芯每6个月更换一次;齿轮箱空气滤芯每年须进行更换和清理。由于以上定期工作不到位,会导致齿轮油水分含量超标而乳化、杂质过多齿轮油粘度以及酸度等指标超标。油质变化会导致齿轮箱变速齿轮负荷增大,出现齿轮油、轴承温度高的现象。

  2.2三叶片水平轴变速变桨恒频直驱永磁风力发电机组,变频器IGBT温度高,导致风力发电机组夏季运行高温限功率。以金风GW82/1500型风力发电机组来说,一般情况下是Freqcon型风冷变频器,其主要部件为德国英飞凌公司生产的绝缘栅双极型晶体管IGBT,通过IGBT不同的通断组合,达到整流、斩波、升压、逆变的作用,最终使风力发电机组出口电压达到并网的条件。由于IGBT通断的非常频繁,导致IGBT发热迅速,且热量非常大。根据德国英飞凌公司提供的资料,该IGBT表面温度应控制在125℃以内,极限工作温度在150℃以内,由于变流器使用的是IGBT组,无法监测到IGBT的表面温度,所以变流器IGBT的保护温度设定值为95℃,达到该值后机组报故障停机,所以在夏季高温情况下需要将机组负荷适当的限定,避免由于IGBT过温而报故障停机。

  通过对照比较,该类风机在设计上存在以下问题:

  (1)风力发电机组的保护值设定上过于保守,导致风力发电机组在夏季高温运行时出现报故障停机的现象。风力发电机组设定的保护值于元器件生产厂家提供的工况值相差30℃,并且95℃的设定值与现场夏季极端气温的工况不协调,宏观的说,属于机组的保护设定还不够优化,性价比不高。

  (2)变流器通风冷却系统设计有缺陷,导致热量积累,报超温故障停机。该类机型在变流器的通风冷却系统中没有设计通风冷却通道,这样会使冷却风扇将变流器的热量吸入塔基后,不能完全由塔基冷却风扇送出塔筒外,有一部分热量重新回到塔底平台后,使塔底平台的温度升高,从而热量积累,导致变流器超温。

  通过实地检查检查发现,在日常的维护上存在以下问题:

  (1)在日常维护中未进行风扇、塔筒门滤网的清理。由于灰尘的原因,导致风扇效率不高,换热速率低,使得温升率升高。另外,该类风机由塔基送出热风,由塔筒门的滤网处吸入冷风,由于滤网长期未清理,滤网堵塞,冷空气的吸入不通畅,也会导致变流器温度升高。

  3 结语

  目前,我国的并网性风力发电机组由于金风、华锐、东汽等设备厂家的迅速发展,已经打破了国外厂家垄断的局面,但在风机制造水平上、后期服务的质量上还是与国外的西门子、GE、维斯塔斯等公司存在一定的差距,同时也反映出国内风力发电领域技术人员的匮乏以及技术的落后。另外,国内风力发电机组设备厂家多而不精,低价竞争等外部环境影响,使得国内风力发电技术一直没有得到实质性的发展。以上现象说明,风力发电技术的发展需要通过研发、生产制造、运营维护等各个环节互相引导,持续健康的发展,从而消除和避免类似在设计上和维护中的短板,达到世界先进的水平。

 

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