风力发电机组轴系扭矩测试与分析

风力发电机组轴系扭矩测试与分析摘要：风力发电是风能利用的主要形式，也是可再生能源发电中最成熟、应用最广泛的形式之一。虽然风能利用前景广阔，风能发展迅速，但风能很不稳定。风向、风速等都在不断变化，电网负荷也在不停的波动。因此，风电机组的高、低速轴转矩将不断变化。本文在自然风况下对风力发电机轴系扭矩信号进行采集，利用虚拟仪器技术，实现了风力发电机组轴系扭矩和转速的测量。关键词：风力发电机组；轴系扭矩；测试与分析随着我国风电的蓬勃发展和风电装机容量的逐渐增加，使风电机组的轴系扭振稳定性问题日益突出。另外，由于风电机组轴扭矩是风力发电机组正常运行的重要因素，轴扭矩平衡是风力机组顺利发电的基本条件。如果轴系扭矩不平衡，会造成风力机组的轴系扭振，严重时会造成轴的断裂等，从而危害风机和风电场的正常运行。一、扭矩测量方法使机器元件转动的力偶或力矩叫做转动力矩，简称转矩。任何元件在转矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上也常把转动力矩叫做扭转力矩，简称扭矩。从严格的力学角度来讲，转矩概念与扭矩不完全相同，前者是指外力矩，而后者是指内力矩。但当轴上只受到一个扭矩的作用时，转矩和扭矩在数值上相等。同时，扭矩体现了旋转轴系统的能量传递方式，代表机械系统传动的工作状态，轴系在传递能量时必然会产生扭矩，通过分析扭矩，可了解机械传动系统的扭转应变性能。转矩测量方法按基本原理划分为三类：传递法（扭轴法）、平衡力法（反力法）及能量转换法。、传递法。传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法。所根据的物理参数是弹性元件的变形、应力或应变，最常用的测量扭矩的弹性元件是扭轴。传递法便于应用而且精度高，因此实际工程中常用传递法进行扭矩测量。、平衡力法。对任何一种匀速工作的动力机械或制动机械，当它的主轴受扭矩作用时，在其机体上必定同时作用着方向相反的平衡力矩（或称为支座反力矩）测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，就是平衡法，亦称为反力法。、能量转换法。它是根据其它能量参数（如电能参数）测量机械能参数及扭矩的方法。按照能量转换的观点：动力机械，如电动机、内燃机等，分别把电能、化学能转换为机械能的机构；而制动机械，如发电机、水利制动器等，则分别把机械能转换为电能、热能的机构。二、测试系统设计750kW失速型风力发电机组是目前国内外主流风力发电机型之一，机组旋转轴包括低速轴和高速轴，两部分通过齿轮箱偶合。高速轴扭矩和转速信号用DAT-AFLEX自由扭矩测量轴进行测量，该测量轴直接与高速轴连接在一起。低速轴直径较大，无法用DATAFLEX测量轴，用扭矩和转速遥测系统TT9000进行遥测。计算机数据采集硬件系统包括PC机和PCI-6024E数据采集卡。PCI-6024E数据采集卡支持DMA方式和双缓冲模式，保证了实时的信号不间断采集与储存。软件系统包括数据采集模块、数据显示模块、数据处理模块和数据管理模块等。数据采集模块实现了低速轴扭矩、高速轴扭矩和发电机转速三路信号的同时采集；数据处理模块包括时域分析和频域分析两个功能模块，时域分析实现时域信号滤波和转换功能，频域分析实现信号相关性分析、功率谱分析和幅值谱分析功能；数据显示模块用来完成波形显示和数字显示功能，数据管理模块实现数据保存和查询功能。三、风力机轴系扭矩时域分析由计算机数据采集硬件系统送来的数字信号需经过公式还原出真实值。发电机转速的转换公式为：（X1-0.014648）x5000；高速轴扭矩的转换公式为：（X1-3.75）x16000；低速轴扭矩的转换公式为：（X1-0.024414）x76069.62339，其中，0.014648、3.75和0.024414分别为静态值。在发电机转速达到同步转速1510r/min,发电机并网发电；在并网发电过程中,发电机转速能始终保持在同步转速附近；风力机开始停机，叶尖阻尼板弹出；在发电机转速降低到500r/min，圆盘闸动作刹车；风力机停止运行。在风力机的正常起动和停机过程中，通过叶尖阻尼板和圆盘闸的配合，实现对发电机转速的渐进控制，将风力机起停过程中的转速变化率降到最小。此外，在风力机起动到并网这段时间内，低速轴扭矩呈小幅波动，这是由于组成风轮的三个叶片不完全相同而导致的。在并网瞬间出现了较大的反向扭矩，是由于突然施加了制动电磁力矩，叶轮力矩来不及增大，从而致使扭矩突变为负值。在并网发电过程中，风力机输入机械功率与发电机电磁功率处于平衡状态，旋转轴扭矩变化反映了风力发电机输出功率变化，扭矩增大表明发电机输出功率增大，反之减少。刹车过程中出现两次大幅度的扭矩突变，第一次对应于叶尖阻尼板弹出，第二次对应于圆盘闸动作，其中圆盘闸动作引起的扭矩突变量最大约为20万N・m，并伴随有大幅扭矩振荡。高速轴扭矩变化曲线与低速轴基本一致,而数量级低很多，刹车过程最大扭矩突变量约800N・m。风力发电机的机械系统是按照稳定运行状况进行设计的，过大的扭矩变化将会使机组轴系元件产生疲劳，从而影响风力发电机组的寿命。在风力机正常运行过程中，低速轴在刹车时出现大幅度扭矩振荡现象，将影响低速轴使用寿命，应采取适当的措施改善其运行状况。另外，在正常停机时，叶尖阻尼板首先弹出，当低速轴扭矩降至较低水平时，再起动圆盘闸制动，整个停机过程有两次制动，低速轴扭矩变化幅度相对较小，扭矩峰值为18万N・m；紧急停机时，发电机脱网、叶尖阻尼板弹出和圆盘闸制动几乎同时动作，受此影响，低速轴扭矩发生大幅度突变，扭矩峰值达到30万N・m，是正常停机时的1.67倍。因此，紧急停机比正常停机的扭矩变化量大很多,对机组的损害也更大。四、风力机轴系扭矩相关性分析相关性分析是利用相关系数或相关函数来描述两个信号间的相互关系或其相似程度，自相关函数可用来描述同一信号的现在值与过去值的关系。风力发电机正常并网发电过程中的高速轴和低速轴扭矩自相关函数图，时滞t=1s时自相关函数值为最大，当t>1s时自相关函数随着时滞t的增大而线性减小，并在时滞t=2s时减为0，这表明风力发电机正常发电过程中任意时刻的扭矩信号仅与最近的扭矩信号（1s以内）线性相关，并且不存在周期性分量。正常停机过程中的低速轴扭矩自相关函数图，扭矩信号存在明显的周期性分量，周期约为0.5s，这是低速轴惯性载荷作用的结果。高速轴转速和扭矩的互相关函数图，时滞t=1s时自相关函数值为最大，表明任意时刻的高速轴扭矩与该时刻的转速之间近似存在线性关系，时滞t>1s时互相关函数线性递减，表明高速轴扭矩仅与最近的转速信号（1s以内）相关。五、结语风力发电机组将风能转化为机械能，再将机械能转化为电能。风力机的风轮是把自然风转换成机械能的重要部件。风轮输出机械能的大小直接体现风能利用效率的高低，而输出机械能的多少直接体现了风轮输出轴扭矩。扭矩决定着各种机械的工作能力、能源消耗、寿命、效率和安全性能等。因