1.5MW双馈式风力发电机组-全功率试验平台方案

1.5MW双馈式风力发电机组全功率试验平台方案1、建立全功率试验平台的目的和意义双馈式风力发电机组全功率试验平台是指在地面上建立针对双馈式风力发电机组进行各种型式试验的功率试验平台，该试验平台要求能够达到风力发电机组的1.5MW额定功率输出。在该试验平台上可以对风力发电机组的齿轮箱、发电机、变流器、控制系统等部件进行全面的试验，检验各部件是否能够达到标准和规范的要求，避免部件质量缺陷；针对风力发电机组初期样机进行设计技术和控制算法验证，促进技术的消化吸收，避免设计缺陷；作为开发平台进行新机型开发或新部件研发替代的性能测试试验；作为系统调试的平台，可以进行调试以及调试运行人员的培训平台；还可以进行后期批量生产时的抽检试验。由于风力发电机组应用环境的恶劣程度以及对机组20年长寿命、高可靠性和安全性的特殊要求，风力发电机组的重要部件如齿轮箱、发电机等的制造技术成为了风力发电机组的难点。同时融合了现代电力电子技术和现代控制理论的风力发电机组变速和变桨距控制也成为风力发电的关键技术和难点。由于国内风力发电行业起步较晚，技术水平相对国外比较落后。目前国内只掌握MW级以下失速型风力发电机组的设计和制造技术，MW级以上变速恒频的双馈式和直驱式机型均引进国外的设计或生产许可证。这成为了国内风力发电行业发展的技术瓶颈。目前我国风电的变速恒频技术相关研究成果只经过了实验室阶段，没有经过规模化的应用实践经验，而作为大型风力发电机组只有进行工程化试验，得出较为确切的结论和数据，才能应用于大规模产业化生产。这样就可以尽可能避免出现国内外一些风电制造厂家由于某些部件或设计技术的缺陷而造成了重大的损失，同时也可以减少现场调试的时间和工作量。建设全功率的风力发电机组传动和控制技术试验平台，提高风电机组关键零部件的测试能力，掌握风电机组的关键测试技术，是保证产品质量的基础；通过试验平台上得到的数据，为优化提高该风电机组的性能将起到重要作用，对以后进行新机型或新部件产品的开发和替代提供必要的试验环境和手段，因此建立一套完善的变速恒频风力发电机组试验平台成为当务之急。只有通过全功率试验平台的测试，通过真实客观的试验数据才能对双馈式风力发电机组的性能进行有效的检验和客观的评估。2、全功率试验平台的组成双馈式风力发电机组全功率试验平台主要由以下几个部分：主传动轴测试部件和功率试验部分、试验平台配电部分、平台基础及固定部分、传感器参数测量部分、控制台和状态显示部分。功率平台系统组成部分框图如下图1所示。图1双馈式风力发电机组全功率试验平台系统组成框图主传动轴测试部件和功率试验部分包括用来模拟风轮特性的调速动力装置、减速箱、风力发电机组升速齿轮箱、双馈风力发电机和风电转子励磁变流器。利用调速动力装置产生原动力拖动齿轮箱和发电机，模拟风力机的特性，拖动双馈风力发电机发电，双馈发电机的转子侧励磁变流器控制输出电流的频率、幅值和相位来保证双馈发电机的定子侧所发电压恒频恒压进行并网发电。试验平台配电部分为全功率试验平台中的所有用电设备等提供所需电压等级和功率容量的电源。包括模拟电网和为拖动系统进行供电的调压器或变压器，配电电缆等，另外包括一些相应所需的开关控制元件。平台基础及固定部分是指安装固定整个全功率试验平台的铁制底板和相应的地基工程措施，在铁制底板上应带有倒T字型槽用来固定试验平台上的电机、齿轮箱等。传感器参数测量部分包括配电部分、功率平台和运行设备中各个测试点的电流和电压以及电机转速和转矩等检测量的测量传感器及相关仪器设备（如示波器、电能质量分析仪、万用表、兆欧表、振动检测仪、测温仪等），通过这些传感器和测量仪器设备把被测量信息传送到控制台进行状态显示。控制台和状态显示部分用来控制整个试验平台的工作过程，并对各部分的工作状态进行监测同时采集相关数据对试验设备进行性能分析。在该全功率试验平台上通过对风力发电机、齿轮箱、变流器、控制系统进行单个部件和设备之间整体的联调试验，（除塔架、叶片外）完成对风力发电机组设计、制造、装配质量的检验，同时在试验中考核整机控制、安全和保护性能，并在发现问题时加以消除，以保障被测机组达到出厂质量标准，避免出现由于某些部件或设计技术的缺陷而造成的重大损失，还可以积累调试经验，减少现场调试时间和工作量。3、国内外风力发电试验平台的现状和方案选择3.1国外风力发电试验平台在国外，尤其是风力发电水平高的国家，都具有类似的大功率试验平台。在试验平台上进行全功率或近似全功率试验。下面就目前了解的芬兰ABB公司进行风电变流器和发电机的试验平台以及美国可再生能源实验室进行发电机、齿轮箱和控制系统等进行测试的试验平台进行简要的介绍。3.1.1芬兰ABB公司全功率试验平台方案ABB公司在芬兰建立的针对风电变流器和发电机的试验平台原理图如图4所示。该试验平台的独特之处在于采用单独的发电机发电构成电网，并且容量较大，可以方便的进行各种针对变流器和发电机的相关性能试验。同时在该试验平台上可以模拟实现电网跌落的功能，对变流器的有源CROWBAR低电压穿越功能的测试。通过变压器T1和T2之间开关的闭合，模拟电网电压的跌落；开关的断开，来模拟电网电压的恢复。图2芬兰ABB公司风电变流器和发电机试验平台原理框图及参数3.1.2美国可再生能源实验室的试验平台方案图3美国的国家可再生能源实验室试验平台原理框图图3所示为美国的国家可再生能源实验室（NREL）建立的2.5MW风力发电的功率试验平台。在该平台上可以进行齿轮箱和主传动轴的疲劳测试；模拟紊流情况下风电控制系统的性能；暂态负载性能测试等试验。下图4为试验平台的示意图。图4美国的国家可再生能源实验室试验平台示意图3.2国内的试验平台随着国内风力发电行业的发展，目前国内一些整机制造厂商如华锐风电（大连重工）、常州轨道这辆牵引传动工程技术研究中心等单位建立了全功率试验平台，另外一些发电机、齿轮箱、变频器等生产风电机组零部件的厂商如大连天元电机厂、上海南洋电机厂、南京高精齿轮集团有限公司、艾默生网络能源有限公司等都相继建立了针对其相应部件产品的全功率试验平台。3.2.1大连天元电机厂的试验平台图5大连天元电机厂双馈发电机试验平台原理框图图5所示试验平台是大连天元电机厂为大连重工开发双馈式风力发电机时进行试验的平台原理框图。整个试验平台从厂变电室变压器二次侧380V取电，试验平台和厂用电共用变压器容量为1500kVA。其试验平台采用调压器主要是为了调试方便，同时能够在较大负载的情况下，升压维持输出在690V。由于该试验平台中有2台调压器、交流异步电机等吸收无功的设备，故其在调压器原端增加了无功功率补偿单元，采用电容进行分级补偿。从而可以较少从电网吸收的无功，进而减小和公共电网相连变压器的容量。3.2.2常州轨道车辆牵引传动工程技术研究中心常牵中心的功率试验平台设计容量为3MVA，可以进行直驱式和双馈式两种机型的试验，采用两套1.5MW电机进行拖动。变压器自主进行的设计，变压器的原边一个绕组，副边由两个绕组，两个绕组分别为满功率。其原动机方案也采用调速变频器带变频电机的方式，其他部分与上述试验台类似。3.3ABB（中国）两种方案的比较和选择ABB（中国）提出了两个针对风力发电全功率试验平台的方案。方案如下：3.3.1方案1图6ABB（中国）公司提出的永久性试验台方案1系统图ABB（中国）提出的试验平台方案1系统图如图6所示。可以进行风电机组的全功率和全工况运行，可以对机组的全部技术参数进行试验认证。该方案可对现行1.5MW的风电机组进行满功率出厂试验。该方案采取交流690伏为公共电网接入，只使用一台变压器，由于采用能量内循环，因此变压器T1的容量大大降低，减少了用户的投资。并且该方案采用变压器和公共电网进行隔离，对公共电网的谐波污染很低，能够满足IEC61800-3的要求。该方案需要添置一套拖动系统，主要设备有：交流异步鼠笼式变频调速电动机一台，交直交调速变频器一台，变压器一台，减速器一台。3.3.2方案2图7ABB（中国）公司提出的永久性试验台方案2系统图ABB（中国）提出的试验平台方案2系统图如图7所示。由于拖动调速变频器一般采用通用调速变频器，考虑到整个电机试验平台的功率损失，其容量应当在2MVA，功率很大，而通用调速变频器的电网输入端一般采用不可控整流的方式，对电网的影响较大，这样会对风电变流器以及双馈电机定子并网产生影响。故ABB认为他们的产品性能较好能够适应较差的电网，而当风电机组使用非ABB变频器时，有可能会在调速变频器和风电变频器之间产生干扰，导致风电变频器无法正常工作。图7与图6的区别在于增加两个变压器，一个是图中的变压器T2，作为双馈发电机和风电变流器回馈电网的接入点，另外一个变压器是在变压器T1和T2的前端需要再加一个变压器作为和公共电网的隔离。这种方案的优点有：①是避免了两台变频器之间的相互干扰；②对变流器的要求降低，可以方便的更换和采用其他厂家的风电变频器；③由于两部分之间进行了隔离，作为发电机并网端电网质量较高，这样可以方便通过测量真实的反映电机并网的电能质量，如功率因数、谐波等，对变流器和发电机的特性进行一个准确的评价。主要缺点为：增加投资。由于增加了两个变压器，并且每个变压器都需要按照全功率进行选型，因此投资大大增加。3.3.3方案的选择上述两种试验平台技术方案的主要分歧点在于双馈式风力发电机组的并网点是否和拖动调速变频器的输入点为同一点。从上述两种方案的优缺点比较来讲，方案二虽然投资较大，增加了两个变压器的投资，但是从发展的角度来看，以后肯定不会只采用ABB的风电变频器，同时从技术的角度，采用方案二可以避免了两台变频器之间的相互干扰，这样更好的对发电机和变流器的并网电能质量进行测量和评估，故推荐使用方案二。图8试验平台方案原理框图上图8是在ABB方案2的基础上进行了一些适当的补充，作为我们试验平台的方案。首先变压器T1和T2的原边添加了和电网进行隔离的变压器T3。同时在该处增加无功功率补偿单元，以补偿试验平台所消耗的电网无功功率，降低试验平台的损耗和变压器T3的容量。另外在齿轮箱和发电机的连接处增加转矩转速测量仪，测量齿轮箱的输出和双馈发电机的输入转速和转矩。3.3.4试验平台变压器、调速变频器、拖动电机容量的确定方案二中的变压器T1的容量应当能够满足拖动调速变频器的容量，考虑到整个试验平台的功率消耗和容量，拖动调速变频器容量应当在2MVA，同时为了变频器对电网谐波和无功功率的影响，最好采用四象限的变频器，且考虑一定的容量裕度，故选择T1的容量应当在2.5MVA。相应拖动电机采用交流异步鼠笼式变频电机，容量应当在1.8MVA～2MVA。变压器T2的容量应当满足在进行功率因数调节时，双馈发电机定子和转子发电容量的总和，同时由于其模拟发电机进行并网的电网，和进行变压器T1的选择一样考虑一定的裕量，故选择其容量为2MVA。由于满功率试验时由于功率很大，会拉低变压器输出电压，最好能够采用输出调压可调变压器或调压器，在功率较大时，可以对输出电压进行调整，以保证作为电网的电压能够保持在690V左右。由于试验平台采用能量内循环的方案，和公共电网进行隔离的变压器T3整个试验平台的变压器容量由下列因素决定：（1）整个试验平台中各部件的有功功率损失和消耗，如拖动变频器、拖动电机、齿轮箱，发电机、风电变流器等。（2）整个试验平台中各部件的无功功率消耗。（3）应当考虑到试验过程中的一些暂态过程，如启动等以及一些可能突发的故障对电网的影响。考虑到上述因素，同时由于在试验中主要是考核机组中各设备的暂态过程和一些特殊工况，该变压器的容量应当有一定的冗余度，应在1MVA比较合适。4、试验平台进行的测试试验4.1变流器和发电机测试试验（1）双馈风力发电机并网实验：测试观察变流器控制双馈电机的同步和并网过程，并网冲击电流的大小，定子并网电流的质量等。（2）有功功率和无功功率解耦实验：调节变流器的有功和无功功率给定参数，能够分别对并网的有功功率和无功功率分别进行独立解耦调节，互相之间没有影响。（3）通过电能质量分析仪器检测发电