雙饋風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制與超速參數(shù)設(shè)置

文 | 王明軍

變速變槳風(fēng)電機(jī)組主要采用變槳距方式改變捕風(fēng)能力，調(diào)節(jié)機(jī)組功率和轉(zhuǎn)速。機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制、超速保護(hù)設(shè)置，直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行安全、部件壽命、故障概率和年利用小時(shí)數(shù)等。在進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制和超速保護(hù)設(shè)置時(shí)，既需保證設(shè)備安全，又要充分發(fā)揮機(jī)組性能。采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?，合理地設(shè)置控制參數(shù)，可以提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，大幅度地提升機(jī)組的穩(wěn)定性。

本文就德國REpower變速變槳1.5MW雙饋機(jī)組（同步轉(zhuǎn)速為1500rpm，運(yùn)行范圍是1000～2000rpm）的轉(zhuǎn)速控制、超速停機(jī)及超速參數(shù)設(shè)置值等進(jìn)行分析和闡述。

變速風(fēng)電機(jī)組控制及轉(zhuǎn)速限制問題

變速風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制一般可分為兩種情況：在低于額定風(fēng)速時(shí)，通過變頻器的調(diào)節(jié)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制；在高于額定風(fēng)速時(shí)，一般采用調(diào)節(jié)槳距角的方法將多余的能量釋放出去，實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制。

一、變速變槳風(fēng)電機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)

與恒速機(jī)組相比，變速機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）葉輪能在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比，從而使風(fēng)能利用系數(shù)最大，提高了系統(tǒng)效率。

（2）自然狀態(tài)的風(fēng)隨機(jī)可變，當(dāng)出現(xiàn)極限陣風(fēng)，風(fēng)速突然增大時(shí)，可提高葉輪轉(zhuǎn)速，使一部分能量以動(dòng)能形式存儲(chǔ)，保證機(jī)組的輸出功率基本不變；當(dāng)風(fēng)速降低，葉輪存儲(chǔ)的動(dòng)能再以電能的形式輸出，使機(jī)組的功率輸出平穩(wěn)，從而減小風(fēng)速變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊。同時(shí)，有效地避免了機(jī)組傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上的受力突變，減小風(fēng)速變化對(duì)機(jī)組機(jī)械部件造成的沖擊，降低機(jī)械部件的疲勞損傷，延長部件和機(jī)組的使用壽命。

二、變速雙饋機(jī)組的超速參數(shù)設(shè)置

當(dāng)變速雙饋風(fēng)電機(jī)組處于超同步運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速，如果距超速保護(hù)定值的裕度過小，那么，出現(xiàn)極限陣風(fēng)或受電網(wǎng)故障擾動(dòng)后可能觸發(fā)超速保護(hù)停機(jī)，對(duì)機(jī)組部件和發(fā)電造成不利的影響。當(dāng)機(jī)組因其他故障停機(jī)時(shí)，不必要地觸發(fā)超速停機(jī)，影響機(jī)組的故障判斷等。因此，超速保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值不能過低。另一方面，機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速過高，則可能危及發(fā)電機(jī)、變頻器等機(jī)組部件的安全。因此，合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行至關(guān)重要。

在設(shè)置雙饋風(fēng)電機(jī)組的超速參數(shù)時(shí)，主要需考慮以下幾個(gè)方面：

（一）發(fā)電機(jī)的承受能力

GB/T23479《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 雙饋異步發(fā)電機(jī)》中對(duì)發(fā)電機(jī)有這樣的規(guī)定：“發(fā)電機(jī)處于熱態(tài)，應(yīng)承受1.2倍的最大工作轉(zhuǎn)速，歷時(shí)2min。超速試驗(yàn)后發(fā)電機(jī)各部件應(yīng)無永久性變形和不產(chǎn)生妨礙發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的其他缺陷?！币虼?，在設(shè)置超速參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮雙饋機(jī)組發(fā)電機(jī)的承受能力。

（二）雙饋機(jī)組的變頻器容量及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓

雙饋風(fēng)電機(jī)組變頻器的容量很小，約為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差容量（即發(fā)電機(jī)定子輸出容量與轉(zhuǎn)差率絕對(duì)值的乘積）。在雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出容量一定的情況下，變頻器的勵(lì)磁容量與轉(zhuǎn)差率的絕對(duì)值成正比。也就是說，雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍越寬，轉(zhuǎn)子變頻器的勵(lì)磁容量也就越大。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍與變頻器容量之間的優(yōu)化和權(quán)衡問題，以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。

變頻器的輸出電壓為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路電壓與轉(zhuǎn)差率絕對(duì)值的乘積，因此，轉(zhuǎn)子開路電壓等級(jí)的確定，既要考慮變頻器的電壓等級(jí)，也要考慮發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流在不同的運(yùn)行狀態(tài)下大小不同，在轉(zhuǎn)差率的絕對(duì)值最大時(shí)，轉(zhuǎn)子電壓最大。

（三）機(jī)組運(yùn)行的最高并網(wǎng)轉(zhuǎn)速

在設(shè)定機(jī)組額定轉(zhuǎn)速與超速參數(shù)值時(shí)，應(yīng)充分考慮機(jī)組正常運(yùn)行的速度上升空間，以利于葉輪跟蹤最佳葉尖速比和短時(shí)陣風(fēng)時(shí)的葉輪儲(chǔ)能，提高機(jī)組效率。在機(jī)組允許的并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不應(yīng)設(shè)置沒有延時(shí)的瞬間停機(jī)超速保護(hù)。

在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)設(shè)置沒有延時(shí)的超速停機(jī)保護(hù)會(huì)造成：機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行范圍縮?。划?dāng)機(jī)組負(fù)荷較高，且風(fēng)速急劇變化時(shí)，機(jī)組報(bào)超速停機(jī)頻繁。如采取修改變槳控制算法參數(shù)的方法，來解決沒有延時(shí)超速停機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤所帶來的超速停機(jī)問題，則必將影響葉輪的儲(chǔ)能和發(fā)電量。這不僅不能使超速停機(jī)問題得到徹底解決，還可能影響部件壽命，增加機(jī)組的故障概率等。

（四）甩負(fù)荷停機(jī)后，機(jī)組需要有足夠飛升轉(zhuǎn)速的速度空間

機(jī)組在高負(fù)荷執(zhí)行低電壓或高電壓穿越的過程中，需要一個(gè)較大的速度上升空間，不能因超速保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)；當(dāng)機(jī)組執(zhí)行甩負(fù)荷故障停機(jī)時(shí)，應(yīng)有足夠的葉輪飛升的速度空間，在機(jī)組順槳正常的情況下，不應(yīng)觸發(fā)斷安全鏈的剎車200超速保護(hù)，以保護(hù)機(jī)械部件（如齒輪箱、葉片、塔筒等）免受損傷和沖擊。

REpower1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組的超速參數(shù)設(shè)置

為限制超速、保障機(jī)組安全，REpower 1.5MW機(jī)型采取了較為合理的控制策略，并設(shè)置多個(gè)限制機(jī)組超速的狀態(tài)碼：213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態(tài)碼213為只報(bào)警不停機(jī)外，其余9個(gè)均為停機(jī)保護(hù)。

下面就該機(jī)型超速控制策略、超速控制狀態(tài)碼和超速參數(shù)設(shè)置值進(jìn)行分析。

一、機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的轉(zhuǎn)速控制

該系列機(jī)型使用的主控是WP3100，控制正常運(yùn)行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的參數(shù)主要有三個(gè)，即：降噪運(yùn)行、狀態(tài)碼213和機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。另外，在功率控制上，該主控的控制策略采用查表法，即：當(dāng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速上升時(shí)，主控的給定扭矩也隨之上升，這既符合雙饋機(jī)組的工作特性，又從控制上通過持續(xù)加大給定扭矩的方法來限制轉(zhuǎn)速。同時(shí)，增加機(jī)組出力，避免運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過其正常的允許范圍。

實(shí)踐證明，當(dāng)機(jī)組無故障時(shí)，按照REpower超速參數(shù)設(shè)置方式，在眾多風(fēng)況條件下，機(jī)組在設(shè)計(jì)的整個(gè)運(yùn)行風(fēng)速段內(nèi)均不會(huì)報(bào)軟件超速，更不會(huì)報(bào)硬件超速停機(jī)。

按照REpower的參數(shù)設(shè)置，“極限陣風(fēng)”狀態(tài)碼213的控制和參數(shù)設(shè)置為：當(dāng)機(jī)組高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1960rpm，且時(shí)間超過0.2s時(shí)，控制機(jī)組的“額定轉(zhuǎn)速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm），改為由設(shè)定的“安全轉(zhuǎn)速”（G）safe xxxx rpm（如：1720rpm）控制。葉輪以5°/s順槳，葉片從0°向90°方向移動(dòng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，“安全轉(zhuǎn)速”的控制時(shí)間為“安全時(shí)間設(shè)定值”（G）safe time xxx s（主控WP3100默認(rèn)值：600s，此參數(shù)應(yīng)根據(jù)機(jī)位的風(fēng)況條件進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)以機(jī)組既能避開極端風(fēng)況，又不因多次“極限陣風(fēng)”報(bào)“重復(fù)故障”停機(jī)為準(zhǔn)）。在此之后，機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制，再次從“安全轉(zhuǎn)速”控制恢復(fù)到由機(jī)組正常的“額定轉(zhuǎn)速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm）控制，并以主控設(shè)定“安全提升速率”（G）safe ramp xx rpm/s（WP3100默認(rèn)值：10rpm/s）升速。

另一方面，當(dāng)出現(xiàn)短時(shí)陣風(fēng)時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速迅速升高，實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)。葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了1960rpm，但沒有超過0.2s，則不執(zhí)行該狀態(tài)碼，這樣，機(jī)組的實(shí)際最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速更接近2000rpm，有利于盡量多地吸收風(fēng)能，同時(shí)，避免短時(shí)陣風(fēng)對(duì)機(jī)械部件造成的沖擊。當(dāng)風(fēng)速下降時(shí)，葉輪轉(zhuǎn)速降低，短時(shí)儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，從而保證機(jī)組的功率穩(wěn)定。

在通常風(fēng)況條件下，通過設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)況較差、風(fēng)速不穩(wěn)時(shí)，可以通過激活“極限陣風(fēng)”狀態(tài)碼213把機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在正常運(yùn)行范圍內(nèi)，以降低額定轉(zhuǎn)速的形式限制轉(zhuǎn)速，此狀態(tài)碼只報(bào)警不停機(jī)。在風(fēng)況相對(duì)穩(wěn)定、機(jī)組轉(zhuǎn)速得到有效控制后自動(dòng)恢復(fù)到正常的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行控制。這樣，既保證了機(jī)組最大限度地吸收風(fēng)能，提高發(fā)電量，又能較好地把機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。

因此，通過主控設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”和“極限陣風(fēng)（213）”把機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在設(shè)備正常范圍內(nèi)，而不是通過停機(jī)來控制機(jī)組運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速這種方式，既有利于限制轉(zhuǎn)速，又能最大限度地發(fā)揮變速雙饋機(jī)組的性能。

二、保證機(jī)組安全的軟件停機(jī)

為保證機(jī)組安全，避免機(jī)組轉(zhuǎn)速過高，在機(jī)組最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速2000rpm附近，設(shè)置了“變槳自主運(yùn)行（1905）”和“變頻器超速（1411）”兩道限制轉(zhuǎn)速的停機(jī)保護(hù)指令。

狀態(tài)碼1905，為剎車52，當(dāng)機(jī)組齒輪箱高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1950rpm，機(jī)艙控制柜內(nèi)的硬件WP2135動(dòng)作，通過接線和滑環(huán)，把信號(hào)傳到輪轂內(nèi)的變槳控制器，由變槳控制器程序設(shè)定延時(shí)0.3s，如果在0.3s后硬件WP2135仍處于斷開狀態(tài)，此時(shí)變槳控制器就不再接受主控指令，只按變槳控制器程序執(zhí)行5°/s的變槳驅(qū)動(dòng)器順槳，同時(shí)，再通過變槳通信傳給主控（由主控的RPM OK信號(hào)狀態(tài)得到顯示），主控報(bào)“變槳自主運(yùn)行（1905）”故障，執(zhí)行降負(fù)荷停機(jī)；如果硬件WP2135斷開的時(shí)間不足0.3s，則不執(zhí)行該狀態(tài)碼，機(jī)組不會(huì)停機(jī)。因變槳控制器設(shè)定的延時(shí)時(shí)間為0.3s，而達(dá)到硬件觸發(fā)值后，超速模塊WP2135動(dòng)作還需要時(shí)間，因此，實(shí)際延時(shí)觸發(fā)“變槳自主運(yùn)行（1905）”的時(shí)間大于0.3s。在某些特殊情況下，通過變槳控制器執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行（1905）”，即可保障機(jī)組及部件安全。

因“變槳自主運(yùn)行（1905）” 的執(zhí)行條件僅略高于“極限陣風(fēng)（213）”，兩者的觸發(fā)條件相當(dāng)接近。在機(jī)組運(yùn)行過程中，可能同時(shí)滿足這兩個(gè)觸發(fā)條件，這就可能在執(zhí)行“極限陣風(fēng)”的同時(shí)，執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”。機(jī)組會(huì)因執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”而停機(jī)。

為保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)兩個(gè)觸發(fā)條件同時(shí)滿足時(shí)，則優(yōu)先執(zhí)行“極限陣風(fēng)（213）”，而不執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行（1905）”程序。因此，機(jī)組就不會(huì)因執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”而停機(jī)，同時(shí)也避免了機(jī)組誤報(bào)故障。

按照REpower機(jī)組配置的ALSTOM變頻器參數(shù)設(shè)置，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rpm，超過延時(shí)設(shè)定值0.1s（有的變頻器則設(shè)置為2050rpm，沒有延時(shí)），達(dá)到“變頻器超速（1411）”的觸發(fā)條件，則并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過變頻器的能力，變頻器會(huì)自動(dòng)甩負(fù)荷脫網(wǎng)，再由變頻器發(fā)出信號(hào)傳到主控輸入端口，執(zhí)行剎車程序75，采用變槳驅(qū)動(dòng)器順槳，順槳速率為8°/s。其速度信號(hào)來自于發(fā)電機(jī)編碼器。

以上兩個(gè)超速停機(jī)保護(hù)狀態(tài)碼，通過兩個(gè)完全不同的路徑觸發(fā)順槳停機(jī)，以確保機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不會(huì)超出運(yùn)行范圍，或不超出運(yùn)行范圍太遠(yuǎn)，保護(hù)變頻器、發(fā)電機(jī)等部件及機(jī)組安全。

三、3個(gè)“軟件超速”的設(shè)置及超速保護(hù)的執(zhí)行順序

該轉(zhuǎn)速控制方案還設(shè)置了3個(gè)沒有延時(shí)的“軟件超速”保護(hù)，即：齒輪箱軟件超速（310）、低速軸軟件超速（311）和發(fā)電機(jī)軟件超速（312）。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到3個(gè)“軟件超速”設(shè)定值，則會(huì)報(bào)出310、311、312超速故障。

按照REpower超速參數(shù)設(shè)置（統(tǒng)一換算成高速軸轉(zhuǎn)速），設(shè)定的超速參數(shù)值均為2178rpm（剎車程序75），轉(zhuǎn)速信號(hào)分別來自3個(gè)不同的測速探頭。由主控軟件判斷執(zhí)行，沒有延時(shí)，執(zhí)行受控的變槳驅(qū)動(dòng)器順槳停機(jī)，順槳速率為8°/s。

在執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制和超速停機(jī)保護(hù)時(shí)，有著嚴(yán)格的先后邏輯順序。首先，執(zhí)行“極限陣風(fēng)（213）”；其次，執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行（1905）”和“變頻器超速（1411）”；最后，執(zhí)行“軟件超速”，報(bào)310、311、312故障。

與機(jī)組超速有關(guān)的主控、變槳控制程序，或參數(shù)設(shè)置值如有不同，機(jī)組的運(yùn)行狀況可能會(huì)大不一樣。

例如：在編制“變槳自主運(yùn)行”控制程序時(shí)，沒有設(shè)置0.3s延遲，或沒有設(shè)置“極限陣風(fēng)（213）” 程序優(yōu)先于“變槳自主運(yùn)行”執(zhí)行的條件，這樣，在大風(fēng)時(shí)節(jié)、風(fēng)速極度變化時(shí)，機(jī)組會(huì)頻繁報(bào)“變槳自主運(yùn)行（1905）”停機(jī)，造成機(jī)組頻繁報(bào)故障停機(jī)。

再如：設(shè)置的3個(gè)“軟件超速”觸發(fā)值過低，距離最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速較近，甚至設(shè)在機(jī)組的運(yùn)行范圍之內(nèi)，則會(huì)造成大風(fēng)期間頻繁報(bào)“軟件超速”停機(jī)和報(bào)故障不準(zhǔn)確等。

四、剎車200超速停機(jī)的參數(shù)設(shè)置和作用

在機(jī)組順槳正常的情況下，通常不觸發(fā)“剎車200超速”。機(jī)組報(bào)“剎車200超速”停機(jī)時(shí)，將啟用備用電源緊急順槳，同時(shí)，主軸剎車器參與制動(dòng)。報(bào)“剎車200超速”停機(jī)是轉(zhuǎn)速失控，或機(jī)組飛車的重要標(biāo)志。

兩個(gè)“剎車200軟件超速”停機(jī)分別是：“低速軸剎車200軟件超速（317）”和“齒輪箱剎車200軟件超速（328）”，它們的測速信號(hào)分別源自兩個(gè)不同的測速探頭，觸發(fā)值由主控軟件設(shè)定，并通過主控軟件執(zhí)行剎車200停機(jī)以及斷安全鏈。

兩個(gè)“剎車200硬件超速”停機(jī)分別是：“發(fā)電機(jī)WP2035硬件超速（319）”和“低速軸WP2035硬件超速（320）”。它們信號(hào)來源為硬件超速模塊，執(zhí)行時(shí)報(bào)剎車200，并斷安全鏈。這兩個(gè)硬件超速保護(hù)命令，僅與超速模塊及其硬件設(shè)置有關(guān)，而與主控的軟硬件和參數(shù)設(shè)置無關(guān)。

以上4個(gè)“剎車200超速”，其設(shè)置值均為2400rpm，順槳速率理論上為15°/s，其實(shí)際速度與電池電壓、電流、變槳電機(jī)、變槳齒輪箱速比、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等有關(guān)，觸發(fā)后，需到現(xiàn)場進(jìn)行安全鏈復(fù)位。

由以上分析可知：在絕大多情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制，僅通過控制機(jī)組的“額定轉(zhuǎn)速”使機(jī)組運(yùn)行在允許的速度范圍；在機(jī)組故障，或某些特殊外界條件下，可能觸發(fā)“軟件超速”。主軸剎車器頻繁制動(dòng)可能造成齒輪箱齒面的點(diǎn)蝕等。因此，在一般情況下，主軸剎車器不參與機(jī)組制動(dòng)，不觸發(fā)“剎車200超速”停機(jī)。

結(jié)論

合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置，既對(duì)保護(hù)設(shè)備有利，又能充分發(fā)揮機(jī)組的性能，以最大限度地降低風(fēng)電機(jī)組的度電成本。因此，轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行和提高發(fā)電量有著重要的意義。

云南的老青山、松子山、聯(lián)合、小白龍、羊雄山、趕馬路、云臺(tái)山，陜西的李家梁和四川廣元的芳地坪等不同地區(qū)、多個(gè)復(fù)雜山地地形風(fēng)電場幾百臺(tái)機(jī)組的長期現(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐表明，本文所述的轉(zhuǎn)速控制方式及超速參數(shù)設(shè)置值，不僅適用于東方風(fēng)電的FD70、FD77國產(chǎn)化1.5MW機(jī)組，還普遍適用于東方風(fēng)電自主研發(fā)的FD82、FD87、FD89和FD93等機(jī)型的1.5MW機(jī)組。由流體力學(xué)的相似原理可知，該轉(zhuǎn)速控制及超速設(shè)置方案對(duì)其他機(jī)型具有重要的借鑒意義和參考價(jià)值。