風(fēng)力發(fā)電變槳加載系統(tǒng)的研究與設(shè)計

甘敬松，劉炳鋒

GAN Jing-song1, LIU Bing-feng2

（1. 武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430074；2. 華電鄭州機(jī)械設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450009）

0 引言

兆瓦級變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電動變槳技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。變槳距是指大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在輪轂上的葉片借助控制技術(shù)和動力系統(tǒng)改變槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善[1]。變槳伺服控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的外環(huán)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中起著十分重要的作用。它控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片節(jié)距角可以隨風(fēng)速的大小進(jìn)行自動調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速起動時，槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的起動力矩；當(dāng)風(fēng)速過高時，通過調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動力轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)功率輸出保持穩(wěn)定。

變槳系統(tǒng)對三個變槳電機(jī)的速度跟隨和位置跟蹤要求極高，電機(jī)空載情況下無法準(zhǔn)確判斷變槳電控系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計要求。本文設(shè)計了一種基于直流發(fā)電機(jī)加載方案用來檢測和評價變槳系統(tǒng)的控制效果。其能夠在三個變槳電機(jī)軸上同時加載模擬因槳葉負(fù)荷和風(fēng)力負(fù)荷而產(chǎn)生的力矩，亦可以模擬突然的暴風(fēng)環(huán)境下的負(fù)荷加載情況。在3000rpm情況下扭矩可以達(dá)到95.5Nm，1500rpm以下恒扭矩191Nm，可以滿足3MW風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)額定風(fēng)況和突然暴風(fēng)環(huán)境下的模擬測試。

1 加載系統(tǒng)介紹

目前應(yīng)用較為廣泛的加載系統(tǒng)是傳統(tǒng)的水力、電渦流加載方案。水力、電渦流方案的基本原理是將被測試設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能由水冷卻后把熱量帶走，被測試設(shè)備發(fā)出的能量不能回收，轉(zhuǎn)換過程中亦需要耗費能量。

直流發(fā)電機(jī)加載方案則可以把測試設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。加載前，先給直流電機(jī)勵磁繞組施加恒定勵磁電流，在電機(jī)氣隙中建立主磁場。起動被測試變槳系統(tǒng)電機(jī)，在起動瞬間，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，直流電機(jī)處于電動狀態(tài)下工作，其電磁力矩作為被測試變槳電機(jī)的阻力矩，同時通過整流逆變器給直流電機(jī)投入電樞電壓，調(diào)節(jié)電樞電壓的大小可以控制施加于被測試變槳電機(jī)的啟動力矩大小。加載時隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動，直流電機(jī)由反向電動狀態(tài)過渡到發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電運行時電樞上的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，φ為氣隙磁通，它受勵磁電流和電樞電流的影響，因而在勵磁電流不變的情況下，可以通過調(diào)節(jié)直流電機(jī)電樞電流Iα來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)與被測試變槳電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，選擇直流電機(jī)勵磁電流的方向，使直流電機(jī)產(chǎn)生的力矩方向與被測試變槳電機(jī)轉(zhuǎn)動方向相反，則可實現(xiàn)對變槳電機(jī)的加載[2]。

該加載平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示，測控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 加載平臺結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 測控系統(tǒng)框圖

該加載系統(tǒng)的主要功能與特點有：1）加載裝置部分——整流逆變器的性能先進(jìn)、可靠，技術(shù)水平達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平；2）系統(tǒng)依靠計算機(jī)采集數(shù)據(jù)，軟件分析，使用易操作、易維護(hù)；3）加載方式為直流電機(jī)反饋加載方式，具有顯著的節(jié)能效果；4）加載特性從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性，完全符合動力機(jī)械的負(fù)載特性，實現(xiàn)了對變槳電機(jī)的零轉(zhuǎn)速加載，模擬變槳電機(jī)實際負(fù)荷工況；5）該系統(tǒng)不僅可以方便的實現(xiàn)雙向加載而且可以作為動力倒拖原動機(jī)，即作為加載設(shè)備時以恒流控制，作為原動機(jī)時以恒速控制。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 電源部分

由于每臺直流加載電機(jī)功率為30kW，三臺功率接近100kW，為防止全功率情況下對其他用電器的干擾，需考察電網(wǎng)容量，安排專門的接線柜。另外，由于系統(tǒng)中有許多的變頻整流設(shè)備，為防止對測量信號的干擾需嚴(yán)格遵循EMC走線方式和選用屏蔽電纜。

2.2 直流加載部分

圖3 軟件工作流程圖

直流加載部分包括直流電動機(jī)、整流逆變器。根據(jù)系統(tǒng)回饋的需要選用直流機(jī)為加載主機(jī)，調(diào)節(jié)勵磁完成加載設(shè)定。整流逆變器采用西門子全數(shù)字直流可逆調(diào)速裝置，既可以作為直流調(diào)速裝置為直流電機(jī)調(diào)速，又可以作為具有穩(wěn)流特性的逆變裝置，將直流電機(jī)發(fā)出的電能反饋到電網(wǎng)。

2.3 測控部分

測控部分主要包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、頻率檢測系統(tǒng)。采用現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，執(zhí)行命令由工控機(jī)發(fā)出，通過現(xiàn)場總線傳送到整流器，由它執(zhí)行動作。數(shù)據(jù)采集器安裝在聯(lián)軸器上，通過現(xiàn)場總線匯總到工控機(jī)和儀表柜，從而供系統(tǒng)計算、分析、顯示及打印。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

試驗系統(tǒng)軟件設(shè)計采用以Windows系統(tǒng)為操作系統(tǒng)的可視化開發(fā)語言Delphi7.0。采用窗體式控制和友好的操作界面，對數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采集的各種信號量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表及擬合曲線，根據(jù)開關(guān)量輸人、輸出控制和自動診斷試驗系統(tǒng)，對所有相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行啟停控制，其工作流程圖如圖3所示。

軟件在對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過程中，針對監(jiān)測、監(jiān)控的關(guān)鍵量采用多線程處理，以提高試驗精度，并在軟件界面上進(jìn)行實時監(jiān)控顯示。為方便對多路數(shù)據(jù)的管理，該系統(tǒng)中利用Delphi內(nèi)嵌數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、測定數(shù)據(jù)及處理分析數(shù)據(jù)的分層管理。為了保證系統(tǒng)的安全運行，軟件對輸入的關(guān)鍵開關(guān)量進(jìn)行實時判斷，據(jù)此調(diào)用相應(yīng)的中斷處理子程序，主界面如圖4所示。

圖4 主界面圖

4 結(jié)束語

本加載系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)加載方式，系統(tǒng)由工控機(jī)自動測試，通過對變槳電機(jī)電控系統(tǒng)的實際使用表明，性能先進(jìn)可靠，自動化水平高，操作簡便，易維護(hù)，節(jié)能率高。本加載系統(tǒng)的建立為變槳系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的測試平臺。

[1]Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control.PhD thesis.Technical University of Denmark.1997.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.