某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究.docx

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某双馈式异步风力发电机技术改造方案研究

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摆念宗

双馈异步发电机是目前风力发电系统中主流的发电机形式之一。与其他发电机不同,双馈异步发电机通过变频器在转子绕组中施加不同频率的交流励磁电流,以实现定子侧恒定频率的输出。但由于运行环境恶劣、工况复杂多变,双馈式风力发电机在长期运行过程中会出现各类故障,如定转子绕组接地、匝间短路、绕组断相、轴承点蚀、轴承漏油等。此外,风力发电机在设计、制造或安装时也会出现问题,如发电机定转子相间不平衡、相间绝缘电阻低、轴承密封不良、轴承润滑不良、转子极间联线以及引出线设计不合理等。

相比于环境因素,这些由设计、制造等环节引发的问题和缺陷大大增加了发电机发生故障的概率,导致现场频繁出现发电机故障甚至损坏的情况,不仅给风电场运维带来极大的困难,大量的故障维修也会造成风电场的电量损失,尤其是更换发电机的周期较长,导致电量损失更多。高故障率还会导致额外的备品备件费用、大部件更换费用等,从而造成维修成本显著增高。因此,有必要分析发电机故障原因,并采用针对性的技术改造方案,以提高设备可靠性。

某风电场1.5MW双馈式异步风力发电机,在运行过程中频繁出现各类故障,主要包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、发电机振动、发电机内部漏油等。通过对各类故障进行诊断分析,发现该型号发电机在轴承绝缘、转子极间联线、发电机轴承油槽密封等方面存在设计缺陷,从而导致风电机组在运行过程中频繁出现同类故障。本文以该风力发电机为例,探究了导致各类故障的设计缺陷,并针对各种缺陷提出了有效减少发电机故障的技术改进方案。

风力发电机结构及参数

国内某风电场风电机组采用1.5MW双馈异步风力发电机,其主要参数如表1所示。

雙馈异步发电机主要包括定子系统、转子系统、转轴及轴承、集电环系统、散热系统、润滑系统、前后端盖、机座等。定子系统主要包括定子绕组和定子铁心,定子三相绕组直接与电网侧连接,对外输出电能。转子系统主要包括转子绕组和铁心,转子绕组三相交流引出线与集电滑环连接,通过集电滑环与变流器转子侧连接,再由变流器经过AC/DC和DC/AC变换与电网侧连接。变流器为转子提供变频的三相交流励磁电流,以适应风力发电机复杂的运行工况。轴承系统包括发电机前后轴承、润滑系统等。轴承与转轴采用过盈配合连接,转轴驱动端通过联轴器与齿轮箱连接,受机械驱动带动转子旋转。

风力发电机故障缺陷分析

随着运行时间的增加,该机组发电机频繁发生故障。2015年,更换发电机的次数高达10次;2016年,更换发电机10次,塔上修复6次;2017年,更换发电机17次,塔上修复8次,技改3次;2018年,更换发电机8次,塔上修复14次。

统计显示,该型号风力发电机的主要故障包括转子断相、转子接地、转子相间电阻不平衡、转子直流电阻不平衡、定子绝缘击穿、振动大。其中,转子断相故障率最高,且故障次数逐年增多。转子断相的原因有很多,如极间联线断裂、转子引出线断裂、转子线圈烧毁等,而其深层原因可归结为轴承损坏导致振动过大、极间联线因设计不合理受力过大、转子引出线因安装不合理受剪切断裂等。

通过对该型号风力发电机的故障问题进行分析发现,该发电机在设计、制造、工艺等方面存在的缺陷主要包括:(1)发电机轴承系统绝缘设计不合理,轴承电腐蚀情况较严重。(2)发电机驱动端无接地装置。(3)转子极间联线圆弧设计、安装不合理。(4)转子引出线安装不合理。(5)发电机两端轴承密封较差,发电机端盖及发电机内部漏油严重。

技术改造方案

一、发电机轴电流技术改造方案

为了有效减少轴电流对轴承的电腐蚀,一方面,可以采取措施阻断感应电流从轴承流过;另一方面,可以将轴电流引到大地散流。因此,本文采用的轴电流改造方案主要涉及发电机端盖、发电机轴承和转子接地。

(一)发电机端盖技术改造方案

本文所述双馈风力发电机采用绝缘轴承,以防止轴电流造成的电蚀危害。由于轴承采用了绝缘结构,发电机端盖的结构因此也比较简单(见图1)。由于端盖与轴承接触部分为金属材料,当轴承发生绝缘损坏时,轴电流将沿着“转子―轴承―金属端盖―机壳”形成通路,流经轴承的轴电流容易造成轴承电蚀,进而造成轴承的损坏。

为了有效防止轴承绝缘损坏时发生轴承电蚀的现象,需要对原有发电机端盖进行技术改造。根据轴电流机理,在轴承系统中增加绝缘层可以阻断轴电流通路,具体方法包括采用绝缘轴承、绝缘端盖以及绝缘轴承座。因此,本文采用绝缘端盖和绝缘轴承座来提高轴承系统绝缘的可靠性。

如图1所示,原有发电机端盖与轴承座为一体结构。结合原发电机的机械结构,本文将原发电机端盖改造为端盖加装绝缘轴承座的结构,即将原发电机端盖的轴承座部分去除,只保留端盖本体,然后在端盖内圈加装带绝缘层的轴承座。端盖与绝缘轴承座采用螺栓组装固定,改造后的绝缘端盖如图2所示。由于端

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