功率分匯流風(fēng)力發(fā)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)教學(xué)功能開發(fā)

符興鋒 王財(cái)虎 周斯加 龍江啟 潘曉銘

1.廣汽集團(tuán)汽車工程研究院 廣東廣州 510640

2.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 浙江溫州 325035

隨著人類文明和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)電力的需求在不斷增長(zhǎng)。我國(guó)風(fēng)電設(shè)備起步較晚，未掌握風(fēng)電機(jī)組總體設(shè)計(jì)和重要部件的關(guān)鍵技術(shù)，尤其是小型離網(wǎng)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)還停留在直流輸出的階段。而風(fēng)電技術(shù)作為一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)備受世界各國(guó)關(guān)注，風(fēng)電技術(shù)正在質(zhì)量方面尋求更大的突破。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)一套操作簡(jiǎn)便，功能集成度高，針對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)顯得尤為重要。

1 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)及其演示功能的開發(fā)

1.1 基于功率分匯流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理

功率分匯流系統(tǒng)的核心為行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。行星輪系統(tǒng)的兩個(gè)輸入端接收風(fēng)力機(jī)輸入動(dòng)力和調(diào)速電機(jī)輸入動(dòng)力，一個(gè)輸出端輸出恒速恒頻動(dòng)力給發(fā)電機(jī)，再由發(fā)電機(jī)輸出恒頻交流電到電網(wǎng)。利用調(diào)速電機(jī)及行星輪系統(tǒng)變速調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)保持同步轉(zhuǎn)速，同時(shí)以行星輪系統(tǒng)為核心形成功率分匯流。功率分匯流技術(shù)應(yīng)用于變速發(fā)電，采用行星齒輪取代繞線和電刷實(shí)現(xiàn)功率的有效分配，可以根據(jù)實(shí)際需要而調(diào)節(jié)不同的功率分匯流比例?；诠β史謪R流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)比傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)更能適應(yīng)不同的風(fēng)力，且全程無(wú)刷柔性調(diào)速控制，采用簡(jiǎn)單的電氣設(shè)備連接。因此，基于行星輪系變速恒頻風(fēng)力發(fā)電有非常好的應(yīng)用前景。

1.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的總體功能要求

(1)基于功率分匯流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的性能調(diào)試。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以對(duì)該變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)在不同風(fēng)速的風(fēng)力輸入負(fù)載時(shí)進(jìn)行性能測(cè)試。

(2)基于功率分匯流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。運(yùn)用該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以進(jìn)一步挖掘變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功能潛力，為改型優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

(3)教學(xué)演示功能。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以真實(shí)地反映功率分匯流系統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的應(yīng)用原理，同時(shí)反映基于功率分匯流系統(tǒng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)相對(duì)于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的優(yōu)勢(shì)，便于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)操作。

2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以行星輪系統(tǒng)的運(yùn)行為主要出發(fā)點(diǎn)，左側(cè)在與行星輪系統(tǒng)行星架相連接的軸上接輸入負(fù)載電機(jī)。右側(cè)在與行星輪系統(tǒng)太陽(yáng)輪相連接的軸上接輸出負(fù)載電機(jī)。行星輪系統(tǒng)的齒圈通過皮帶與固定在統(tǒng)一臺(tái)面上的調(diào)速電機(jī)相連接。實(shí)驗(yàn)臺(tái)用重達(dá)6噸的鑄鐵平臺(tái)作為基礎(chǔ)，以此固定負(fù)載電機(jī)，減少其在工作中的NVH危害。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的組成部分有：

(1)功率分匯流系統(tǒng)由風(fēng)力機(jī)、行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、調(diào)速電機(jī)組成。其核心是由一個(gè)太陽(yáng)輪、一個(gè)齒圈及若干個(gè)安裝在行星架上的行星齒輪組成的行星齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)。

(2)負(fù)載電機(jī)部分主要由圖1所示的電機(jī)1、電機(jī)2、電機(jī)3組成。電機(jī)1是額定功率為30 KW、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的三相異步電動(dòng)機(jī)。電機(jī)2為額定功率為45 KW、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的交流電機(jī)測(cè)功機(jī)，電機(jī)3為額定功率為15 KW、額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min三相異步電動(dòng)機(jī)。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)以三相異步電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器，運(yùn)用控制系統(tǒng)，通過電機(jī)控制器，可以對(duì)作為風(fēng)力機(jī)的大功率三相異步電動(dòng)機(jī)及作為調(diào)速電機(jī)的小功率三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行改變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩操作，實(shí)現(xiàn)模擬不同風(fēng)速下以調(diào)速電機(jī)調(diào)速補(bǔ)償功率使模擬發(fā)電機(jī)的交流電機(jī)測(cè)功機(jī)獲得恒定轉(zhuǎn)速。右端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器將交流電機(jī)測(cè)功機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩反饋到控制系統(tǒng)，控制參數(shù)可以實(shí)時(shí)顯示并保存，以便對(duì)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作特性進(jìn)行研究及對(duì)相關(guān)理論進(jìn)行驗(yàn)證。

此實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)反饋系統(tǒng)集中于同一控制中心，實(shí)驗(yàn)者操作起來十分便捷(如圖2所示)。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作原理圖

3 教學(xué)功能的開發(fā)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)在滿足基于功率分匯流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)性能測(cè)試與功能開發(fā)的同時(shí)，也可以充分發(fā)揮實(shí)驗(yàn)臺(tái)良好的示教特點(diǎn)，滿足教學(xué)要求。

3.1 功率分匯流系統(tǒng)演示功能開發(fā)

通過實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)員可以詳細(xì)地了解基于功率分匯流系統(tǒng)所建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造及運(yùn)行特點(diǎn)。功率分匯流技術(shù)應(yīng)用于變速發(fā)電，采用行星齒輪取代繞線和電刷實(shí)現(xiàn)功率的有效分配，可以根據(jù)實(shí)際需要而調(diào)節(jié)不同的功率分匯流比例。通過講解，學(xué)員可以在了解功率分匯流技術(shù)的同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)有更深的理解。讓學(xué)員直觀地感受利用行星輪系統(tǒng)作為功率分匯流應(yīng)用于變速發(fā)電機(jī)組在結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等方面的優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，通過系統(tǒng)對(duì)電機(jī)控制器的控制，作為風(fēng)力機(jī)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，再使調(diào)速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)行，可以將基于功率分匯流系統(tǒng)所建立的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)控制過程清晰地展現(xiàn)在學(xué)員面前。

3.2 變頻調(diào)速原理演示實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)通過行星輪系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了功率分匯流，并且取代了傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組升速齒輪箱在實(shí)驗(yàn)中起到了變頻調(diào)速的功能。在此實(shí)驗(yàn)中，還需要給學(xué)員講解行星輪系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)速的功能。兩自由度單行星排差速原理：設(shè)nt為太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速，nq為齒圈轉(zhuǎn)速，nj為行星架轉(zhuǎn)速，K為單行星排齒圈齒數(shù)和太陽(yáng)輪齒數(shù)之比，則各元件之間轉(zhuǎn)速特性方程式為nt+knq—(1+k)nj=0。當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，行星架轉(zhuǎn)速nj隨之升高Δn；如隨之調(diào)整伺服調(diào)速電機(jī)轉(zhuǎn)速，使太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)速nt降低(1+K)Δn，則齒圈轉(zhuǎn)速nq可以仍然保持不變。當(dāng)原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，升高伺服調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速以保持發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。使得在不同原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，發(fā)電機(jī)都可以穩(wěn)定在同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)運(yùn)行。

根據(jù)基于功率分匯流系統(tǒng)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要設(shè)計(jì)了風(fēng)力機(jī)在變轉(zhuǎn)速工作情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要觀察發(fā)電機(jī)在不同不確定風(fēng)能輸入功率工況下的發(fā)電情況。

變頻調(diào)速實(shí)驗(yàn)是通過控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，啟動(dòng)風(fēng)力機(jī)使其按一定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)于反饋系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相連的調(diào)速電機(jī)將會(huì)以一定轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，通過行星輪系統(tǒng)使輸入到發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速保持恒定。不斷改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，觀測(cè)調(diào)速電機(jī)和發(fā)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)基于功率分匯流的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開發(fā)一套可以用于科研及教學(xué)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅能有效地對(duì)功率分匯流系統(tǒng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)開展探討性實(shí)驗(yàn)和改型研究，還開發(fā)了相關(guān)教學(xué)示例實(shí)驗(yàn)供學(xué)員觀摩學(xué)習(xí)，服務(wù)教學(xué)工作。

[1]Park, J.W.Wide speed operation of a doubly-fed induction generator for tidal current energy[A].30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society.2004.

[2]趙克剛,柳文斌.基于液壓復(fù)合傳動(dòng)的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動(dòng),2008(3):53-56.

[3]葉杭冶.風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制技術(shù)[M].第二版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]穆安樂,劉宏昭,張明洪,王建平.新型變速恒頻風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(1):195-198.

[5]周斯加,夏景演.雙轉(zhuǎn)子電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與教學(xué)功能開發(fā)[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備[J].2012(5):20-22.