一种风电机组强阵风冲击自适应限扭保护装置.doc

一种风电机组强阵风冲击自适应限扭保护装置 丁齐旭 武汉华威建筑桩工机械有限责任公司 武汉430030 摘要：风能是储量巨大的自然能源，它是安全、环保、清洁、源源不断的绿色能源，近年来，风力发电发展的很快。但在风电快速发展的同时，风电事故也频频发生。强阵风冲击是其罪魁祸首之一。风力与风电机组好比是一对拳击对手，风力打一拳，风电机组如能退后一步，这样强阵风冲击的伤害不就大大减少吗？ 本文提出在风电变桨系统中增加一个强阵风冲击自适应限扭装置，就可以达到80%以上避免强阵风冲击的损害。本文叙述了强阵风冲击自适应限扭装置的结构特点及工作原理，在风电机组上使用该装置，能够自适应地自动快速调节桨距角β，保证安全运行，减少维修，延长使用寿命，有很好的经济效益社会效益。 关键词：风电机组，风电变桨，强阵风冲击，自适应变桨，限扭装置。 一、问题的提出 风能是储量巨大的自然能源，它是安全、 环保、清洁、源源不断的绿色能源，得到世 界各国的青睐。近年来，我国的风力发电行 业发展的很快。据报道，在风电快速发展的 同时，风电事故也频频发生。今年以来，东 北、西北等地出现多起由风机质量问题及其 他原因引起的倒塌事故，涉及华锐、东汽、 联合动力、浙江运达等风电制造商。其中有 很多是由变化无常的强阵风引起的。而这些 强阵风是常常发生、不可预测的。另据报道， 风电机组的齿轮箱设计寿命是20年，实际使 用中很多用不了2年就要更换，其中强阵风 冲击引起的损害占很大比例。因此，在风电 机组运行中，如何避免强阵风冲击引起的损 害，保证风电机组安全运行是急需解决的问 题。风电变浆系统虽能克服一些强阵风冲击， 但因反应速度太慢，不适应强阵风瞬时冲击 的特性。风力与风电机组好比是一对拳击对 手，风力打一拳，风电机组如能退后一步， 这样强阵风冲击的伤害不就大大减少吗？ 1? ?二、强阵风冲击对风电机组的破坏作用 大型风电机组是当前获取风能的主要手段，它是由叶轮、变桨系统、偏航系统、主轴、齿轮箱、发电机及控制装置组成。在风力作用下风电机组实际得到（风机吸收风能）的有用功率输出为： 有用功率 N.m （2） Cp近似表示为 CP （5） 其中ρ—空气密度kg/m3 , ν---风速m/s, R---风轮半径m， Cp--风能利用系数Cp＜0.593 n----风机转速 r/s β—风机叶片的桨距角 从上列公式可以看出，由于风速ν与有用功率P、风力转矩M和主轴作用力F呈三次方的关系，所以风速的变化对P、M、F的影响非常大；同时也可以看出调整桨距角β就能人为控制P、M、F的大小。由于风力是具有瞬时性，随机变化很大、变向变负荷及强冲击的特点，当强阵风冲击瞬时加载在风电机组上时，因风电机组本身存在很大惯性，风机转速n、桨距角β都来不及变化，所以强大的作用力施加在风电机组的机械部件上，使机械部件超载而破坏。这是当前风电机组频频出现机械故障的罪魁祸首。 现有技术中风电机组的变桨系统发展很快，自动化程度很高，调节功能强大。但强阵风的冲击力是瞬间通过叶轮主轴加载到齿轮箱上的，由于风电机组质量大，存在很大的惯性，发电机的转速和功率还未来得及发生变化，变桨系统的调节功能尚未发生作用时，强阵风冲击作用已经发生。这种滞后现象一般有1—3秒或更长，此时齿轮箱等机械部件已经受到过载的伤害。所以现有技术的变桨系统的调节功能还不能适应对强阵风冲击力的瞬间调节要求。当变桨系统出现故障时，更不能迅速自适应变桨调节风能的输入，整个机组只能任凭狂风的摧残。使风电机组常常出现飞车、齿轮箱损坏等危害。 例如：当v1=v额定，则P、M、F、n均为额定值，当强阵风v2=2v1，即风速增加到2倍，P、n未来得及变动，则F力按公式（5）计算增加到8倍，M按公式（2）计算也增加 2? ? 到8倍。齿轮箱设计的过载能力一般是1.3—1.5倍，从上看出，强阵风冲击能力远远大于齿轮箱设计的过载能力，所以强阵风冲击轻而易举摧毁齿轮箱。 如果能够在强阵风到来之际，迅速自动地自适应改变叶片桨距角β，使P、M、F、n均自动降低到或接近额定值，则强阵风冲击的破坏作用就会大大减小，中国专利技术（ZL201120138376.0）就是为解决上述问题提出的。 三、一种强阵风冲击自适应风电机组变桨装置的结构和工作原理 风电机组的叶片桨距角β=90°时，风机基本不吸收风能，P、M、n接近于零，当桨距角β=0°时，P、M、n接近最大