風力發(fā)電機組軸系扭矩測試與分析

風力發(fā)電機組軸系扭矩測試與分析摘要：風力發(fā)電是風能利用的主要形式，也是可再生能源發(fā)電中最成熟、應用最廣泛的形式之一。雖然風能利用前景廣闊，風能發(fā)展迅速，但風能很不穩(wěn)定。風向、風速等都在不斷變化，電網負荷也在不停的波動。因此，風電機組的高、低速軸轉矩將不斷變化。本文在自然風況下對風力發(fā)電機軸系扭矩信號進行采集，利用虛擬儀器技術，實現(xiàn)了風力發(fā)電機組軸系扭矩和轉速的測量。關鍵詞：風力發(fā)電機組；軸系扭矩；測試與分析隨著我國風電的蓬勃發(fā)展和風電裝機容量的逐漸增加，使風電機組的軸系扭振穩(wěn)定性問題日益突出。另外，由于風電機組軸扭矩是風力發(fā)電機組正常運行的重要因素，軸扭矩平衡是風力機組順利發(fā)電的基本條件。如果軸系扭矩不平衡，會造成風力機組的軸系扭振，嚴重時會造成軸的斷裂等，從而危害風機和風電場的正常運行。一、扭矩測量方法使機器元件轉動的力偶或力矩叫做轉動力矩，簡稱轉矩。任何元件在轉矩的作用下，必定產生某種程度的扭轉變形。因此，習慣上也常把轉動力矩叫做扭轉力矩，簡稱扭矩。從嚴格的力學角度來講，轉矩概念與扭矩不完全相同，前者是指外力矩，而后者是指內力矩。但當軸上只受到一個扭矩的作用時，轉矩和扭矩在數(shù)值上相等。同時，扭矩體現(xiàn)了旋轉軸系統(tǒng)的能量傳遞方式，代表機械系統(tǒng)傳動的工作狀態(tài)，軸系在傳遞能量時必然會產生扭矩，通過分析扭矩，可了解機械傳動系統(tǒng)的扭轉應變性能。轉矩測量方法按基本原理劃分為三類：傳遞法（扭軸法）、平衡力法（反力法）及能量轉換法。、傳遞法。傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產生的物理參數(shù)的變化而測量扭矩的方法。所根據(jù)的物理參數(shù)是彈性元件的變形、應力或應變，最常用的測量扭矩的彈性元件是扭軸。傳遞法便于應用而且精度高，因此實際工程中常用傳遞法進行扭矩測量。、平衡力法。對任何一種勻速工作的動力機械或制動機械，當它的主軸受扭矩作用時，在其機體上必定同時作用著方向相反的平衡力矩（或稱為支座反力矩）測量機體上的平衡力矩以確定機器主軸上作用扭矩大小的方法，就是平衡法，亦稱為反力法。、能量轉換法。它是根據(jù)其它能量參數(shù)（如電能參數(shù)）測量機械能參數(shù)及扭矩的方法。按照能量轉換的觀點：動力機械，如電動機、內燃機等，分別把電能、化學能轉換為機械能的機構；而制動機械，如發(fā)電機、水利制動器等，則分別把機械能轉換為電能、熱能的機構。二、測試系統(tǒng)設計750kW失速型風力發(fā)電機組是目前國內外主流風力發(fā)電機型之一，機組旋轉軸包括低速軸和高速軸，兩部分通過齒輪箱偶合。高速軸扭矩和轉速信號用DAT-AFLEX自由扭矩測量軸進行測量，該測量軸直接與高速軸連接在一起。低速軸直徑較大，無法用DATAFLEX測量軸，用扭矩和轉速遙測系統(tǒng)TT9000進行遙測。計算機數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)包括PC機和PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡。PCI-6024E數(shù)據(jù)采集卡支持DMA方式和雙緩沖模式，保證了實時的信號不間斷采集與儲存。軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和數(shù)據(jù)管理模塊等。數(shù)據(jù)采集模塊實現(xiàn)了低速軸扭矩、高速軸扭矩和發(fā)電機轉速三路信號的同時采集；數(shù)據(jù)處理模塊包括時域分析和頻域分析兩個功能模塊，時域分析實現(xiàn)時域信號濾波和轉換功能，頻域分析實現(xiàn)信號相關性分析、功率譜分析和幅值譜分析功能；數(shù)據(jù)顯示模塊用來完成波形顯示和數(shù)字顯示功能，數(shù)據(jù)管理模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和查詢功能。三、風力機軸系扭矩時域分析由計算機數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)送來的數(shù)字信號需經過公式還原出真實值。發(fā)電機轉速的轉換公式為：（X1-0.014648）x5000；高速軸扭矩的轉換公式為：（X1-3.75）x16000；低速軸扭矩的轉換公式為：（X1-0.024414）x76069.62339，其中，0.014648、3.75和0.024414分別為靜態(tài)值。在發(fā)電機轉速達到同步轉速1510r/min,發(fā)電機并網發(fā)電；在并網發(fā)電過程中,發(fā)電機轉速能始終保持在同步轉速附近；風力機開始停機，葉尖阻尼板彈出；在發(fā)電機轉速降低到500r/min，圓盤閘動作剎車；風力機停止運行。在風力機的正常起動和停機過程中，通過葉尖阻尼板和圓盤閘的配合，實現(xiàn)對發(fā)電機轉速的漸進控制，將風力機起停過程中的轉速變化率降到最小。此外，在風力機起動到并網這段時間內，低速軸扭矩呈小幅波動，這是由于組成風輪的三個葉片不完全相同而導致的。在并網瞬間出現(xiàn)了較大的反向扭矩，是由于突然施加了制動電磁力矩，葉輪力矩來不及增大，從而致使扭矩突變?yōu)樨撝?。在并網發(fā)電過程中，風力機輸入機械功率與發(fā)電機電磁功率處于平衡狀態(tài)，旋轉軸扭矩變化反映了風力發(fā)電機輸出功率變化，扭矩增大表明發(fā)電機輸出功率增大，反之減少。剎車過程中出現(xiàn)兩次大幅度的扭矩突變，第一次對應于葉尖阻尼板彈出，第二次對應于圓盤閘動作，其中圓盤閘動作引起的扭矩突變量最大約為20萬N?m，并伴隨有大幅扭矩振蕩。高速軸扭矩變化曲線與低速軸基本一致,而數(shù)量級低很多，剎車過程最大扭矩突變量約800N?m。風力發(fā)電機的機械系統(tǒng)是按照穩(wěn)定運行狀況進行設計的，過大的扭矩變化將會使機組軸系元件產生疲勞，從而影響風力發(fā)電機組的壽命。在風力機正常運行過程中，低速軸在剎車時出現(xiàn)大幅度扭矩振蕩現(xiàn)象，將影響低速軸使用壽命，應采取適當?shù)拇胧└纳破溥\行狀況。另外，在正常停機時，葉尖阻尼板首先彈出，當?shù)退佥S扭矩降至較低水平時，再起動圓盤閘制動，整個停機過程有兩次制動，低速軸扭矩變化幅度相對較小，扭矩峰值為18萬N?m；緊急停機時，發(fā)電機脫網、葉尖阻尼板彈出和圓盤閘制動幾乎同時動作，受此影響，低速軸扭矩發(fā)生大幅度突變，扭矩峰值達到30萬N?m，是正常停機時的1.67倍。因此，緊急停機比正常停機的扭矩變化量大很多,對機組的損害也更大。四、風力機軸系扭矩相關性分析相關性分析是利用相關系數(shù)或相關函數(shù)來描述兩個信號間的相互關系或其相似程度，自相關函數(shù)可用來描述同一信號的現(xiàn)在值與過去值的關系。風力發(fā)電機正常并網發(fā)電過程中的高速軸和低速軸扭矩自相關函數(shù)圖，時滯t=1s時自相關函數(shù)值為最大，當t>1s時自相關函數(shù)隨著時滯t的增大而線性減小，并在時滯t=2s時減為0，這表明風力發(fā)電機正常發(fā)電過程中任意時刻的扭矩信號僅與最近的扭矩信號（1s以內）線性相關，并且不存在周期性分量。正常停機過程中的低速軸扭矩自相關函數(shù)圖，扭矩信號存在明顯的周期性分量，周期約為0.5s，這是低速軸慣性載荷作用的結果。高速軸轉速和扭矩的互相關函數(shù)圖，時滯t=1s時自相關函數(shù)值為最大，表明任意時刻的高速軸扭矩與該時刻的轉速之間近似存在線性關系，時滯t>1s時互相關函數(shù)線性遞減，表明高速軸扭矩僅與最近的轉速信號（1s以內）相關。五、結語風力發(fā)電機組將風能轉化為機械能，再將機械能轉化為電能。風力機的風輪是把自然風轉換成機械能的重要部件。風輪輸出機械能的大小直接體現(xiàn)風能利用效率的高低，而輸出機械能的多少直接體現(xiàn)了風輪輸出軸扭矩。扭矩決定著各種機械的工作能力、能源消耗、壽命、效率和安全性能等。因