淺談永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速控制

傅永安 張佛詳

（國華（哈密）新能源有限公司，新疆 哈密 839000）

一、發(fā)電機速度控制技術(shù)

1.恒速恒頻式發(fā)電機組

恒速恒頻風(fēng)力機與其他類型風(fēng)力機最大的區(qū)別在于，發(fā)電機轉(zhuǎn)速的變化很小，可以認(rèn)為是近似不變的。通常來講，這種類型的發(fā)電機使用的是鼠籠式感應(yīng)發(fā)電機。恒速恒頻單元的優(yōu)點是操作控制簡單、電機可靠耐用、電氣成本極低。但是，這種裝置的缺點也是非常的明顯的。

首先，由于該機組的轉(zhuǎn)速是恒定的，因此，確定當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時，機組不能以最佳轉(zhuǎn)速運行，即無法達(dá)到最佳葉尖速比，風(fēng)能利用率較低。其次，氣動力理論分析。由于風(fēng)速是恒定的，伴隨著風(fēng)速的強烈的起伏，會產(chǎn)生比較強烈的變動。接著傳動軸的機械應(yīng)力會發(fā)生顯著的變動，使得輸出功率產(chǎn)生震動，同時，將會使得風(fēng)機的機械使用壽命下降。最后，機組無法測量，電網(wǎng)輸出無功功率無法連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電能的質(zhì)量不高[1]。因為以上的種種問題，在機組中的運用非常的少見。

2.發(fā)電機組中的變速恒頻式

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)最大的特點是如果在有效的范圍之中的時候，發(fā)電機組轉(zhuǎn)速是能夠變化的，恒頻交流電流。這種發(fā)電機組采用的是發(fā)電機一般為雙饋感應(yīng)發(fā)電機。對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機而言，轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇軸相連接，經(jīng)過的是齒輪箱，發(fā)電機定子和電網(wǎng)直接相鏈接。經(jīng)過背靠背變流器，轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)相鏈接。

通過調(diào)整轉(zhuǎn)差，使發(fā)電機的三種運行狀態(tài)分別為次同步、同步和超同步[2]。同時，轉(zhuǎn)差調(diào)節(jié)范圍廣，能夠有效地控制網(wǎng)側(cè)輸出功率。

另外，變頻器只需要轉(zhuǎn)移滑移率，所以在選擇變頻器的容量時，只能選擇裝機容量的1/2或者是1/3，會使得成本快速的降低，這個優(yōu)點使得變頻器能夠在市場上被廣泛地推廣，這也是重大的原因所在。但是，和永磁直驅(qū)風(fēng)機相比較而言，還是存在著一部分的缺點的：比如容易漏油，輪箱有比較高的成本，需要定時地對發(fā)電機滑環(huán)電刷進(jìn)行更換以及檢查，維護(hù)成本高，運行可靠性降低。

3.變速變頻式發(fā)電機組

變速變頻風(fēng)力機，其最重要的特點是，在風(fēng)速是在有效的范圍之內(nèi)的時候，發(fā)電機定子側(cè)會產(chǎn)生比較高頻率的交流電，同時，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速是起起伏伏的。因此，這類風(fēng)力機不能直接并網(wǎng)，需要串聯(lián)變流器才能電網(wǎng)運行。這種風(fēng)力發(fā)電機組的發(fā)電機通常使用的是永磁同步發(fā)電機組。

與雙饋風(fēng)力機相比，永磁直驅(qū)風(fēng)力機具有許多固有的優(yōu)點。首先，永磁直驅(qū)風(fēng)機通常采用多級永磁作為轉(zhuǎn)子，不需要高速，所以也不需要這個變速箱。轉(zhuǎn)子通過聯(lián)軸器與發(fā)電機軸直接連接，降低噪聲。其次，由于其結(jié)構(gòu)原因，無滑環(huán)和電刷，機組運行可靠性較高，降低了后期維護(hù)費用。最后，發(fā)電機定子繞組通過全功率變流器裝置與電網(wǎng)連接，使其更適合電網(wǎng)的功率波動，更利于電網(wǎng)側(cè)的控制[3]。

和雙饋風(fēng)力機以及永磁直驅(qū)風(fēng)力機相比較而言，永磁直驅(qū)風(fēng)力機既有優(yōu)點，也有缺點。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機的缺點是成本。因為體積比較大，那么它的成本就比較的高，所以缺點就是成本高。但是它的結(jié)構(gòu)是不需要電刷、變速箱以及滑環(huán)的，極大地提升了機組的使用的效率，同時，也提升了運行的可靠性以及穩(wěn)定性?？墒沁@種結(jié)構(gòu)是不用變速箱、電刷、滑環(huán)等等這些部件的[4-5]。由于這一優(yōu)點，永磁直驅(qū)式風(fēng)力機漸漸地被國內(nèi)外的一些學(xué)者所廣泛的喜愛以及關(guān)注。

二、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機

和雙饋同步發(fā)電機相比較而言，永磁直驅(qū)式風(fēng)力機最大的區(qū)別是交流發(fā)電機軸，是和風(fēng)輪軸相鏈接的。沒有傳輸連接增加了系統(tǒng)的可靠性，減少了機組的維護(hù)工作。永磁直流式風(fēng)力發(fā)電機具有效率高、噪聲低、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。

永磁直流式風(fēng)力發(fā)電機的主要部件有：永磁同步發(fā)電機、風(fēng)力發(fā)電機、變頻器以及傳動機構(gòu)等等?？刂葡到y(tǒng)主要包含了速度控制、可變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的控制以及保護(hù)裝置斷路器的控制[6]。經(jīng)過全功率變流器，永磁同步發(fā)電機和電網(wǎng)相鏈接起來，保證了風(fēng)力機在變速條件下的穩(wěn)定運行。目前，國內(nèi)永磁同步發(fā)電機故障率最低的廠家為金風(fēng)科技有限公司。其電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用金風(fēng)風(fēng)冷（水冷）自動轉(zhuǎn)換。

以金風(fēng)水冷式自動變換器為例，功率控制方式采用變速變槳葉控制?？勺冿L(fēng)速用于調(diào)節(jié)額定風(fēng)速以下，可變槳葉用于調(diào)節(jié)額定風(fēng)速以上。可變?nèi)~片由柔性齒帶驅(qū)動，控制葉片的俯仰角。發(fā)電機采用多極外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機，葉輪與發(fā)電機轉(zhuǎn)子直接相連。永磁外轉(zhuǎn)子，勵磁方式結(jié)構(gòu)簡單，無勵磁損耗，它減少了傳統(tǒng)電勵磁的體積，減少了故障的可能性。無碳刷和滑環(huán)，減少維護(hù)，提高可用性。發(fā)電機為強制通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，電網(wǎng)無勵磁，發(fā)電機低速運行。機組全功率電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用AC-DC-AC轉(zhuǎn)換方式，通過整流環(huán)節(jié)（AC/DC）將來自發(fā)電機的低頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過逆變器環(huán)節(jié)（DC/AC）進(jìn)入與電網(wǎng)頻率和相位相同的交流電，最后通過變壓器進(jìn)入電網(wǎng)。全功率變換器適應(yīng)50Hz/60Hz電網(wǎng)，機組功率因數(shù)調(diào)節(jié)范圍寬（電感0.95—電容0.95）。全功率變換器系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)采用主動液冷設(shè)計，有效提高冷卻效率。

三、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速測量即發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量，它的測量含義為每分鐘葉輪/發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，單位：轉(zhuǎn)/每分鐘。發(fā)電機轉(zhuǎn)速是風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)備性能調(diào)節(jié)、機組控制、狀態(tài)監(jiān)測、保護(hù)動作中的一個重要特性參量，它的意義在于提高機組的可靠性和安全性，可靠性主要體現(xiàn)在數(shù)據(jù)記錄分析、模式轉(zhuǎn)換、功率控制和載荷控制，安全性主要體現(xiàn)在故障保護(hù)和運行安全保護(hù)。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機轉(zhuǎn)速測量控制采用間接式和直接式測量來實現(xiàn)，主要通過兩個不同的接近開關(guān)對發(fā)電機螺栓的轉(zhuǎn)動來進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，通過螺栓的轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生不同的電平脈沖，之后輸出24V的脈沖電信號到OVERSPEED模塊。當(dāng)兩個脈沖傳感器各采集一組脈沖信號送入OVERSPEED模塊時，OVERSPEED模塊將脈沖信號轉(zhuǎn)換為模擬量與內(nèi)部觸發(fā)器作對比，當(dāng)輸入的模擬量電壓大于觸發(fā)器設(shè)定值，內(nèi)部繼電器得電斷開常閉觸點，外部過速繼電器斷開，導(dǎo)致安全鏈動作，達(dá)到葉輪過速的保護(hù)目的，OVERSPEED模塊將輸出2路脈沖信號對應(yīng)轉(zhuǎn)速的電壓模擬量，送至主控制系統(tǒng)，由主控制系統(tǒng)PLC機乘以一個系數(shù)后轉(zhuǎn)換為發(fā)電機轉(zhuǎn)速。通過將這兩個轉(zhuǎn)速（發(fā)電機轉(zhuǎn)速1和發(fā)電機轉(zhuǎn)速2）串入安全鏈來實現(xiàn)機組的保護(hù)，通過安全鏈的反邏輯設(shè)計，串為一條回路當(dāng)有一點斷開，機組會緊急停機，葉片以7度每秒的速度收槳，其特點獨立于機組plc控制，大大提高了機組的安全性能和可靠性。計數(shù)脈沖測量該測量方式由2個GPLUSE（脈沖電壓測速）模塊和一個GSPEED（發(fā)電機速度測量）模塊構(gòu)成。GPLUSE模塊測量出發(fā)電機電壓信號頻率 ，輸出一個脈沖列信號進(jìn)入GSPEED模塊，GSPEED模塊處理后將脈沖信號轉(zhuǎn)化為對應(yīng)轉(zhuǎn)速的模擬量輸送到風(fēng)機主控制系統(tǒng)，并由主控制系統(tǒng)軟件計算發(fā)電機轉(zhuǎn)速。GPLUSE模塊測量原理為：分別引入發(fā)電機的兩套三相繞組的其中一套繞組電壓到模塊，疊加信號產(chǎn)生SPEED3，送至profibuss-DP至主控PLC。

直接測量即在發(fā)電機滑環(huán)連接處安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，通過發(fā)電機帶動編碼器旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換計數(shù)。通過以上幾種方式測量的轉(zhuǎn)速，可及時調(diào)整葉片位置和電磁扭矩，達(dá)到功率控制的目的，實現(xiàn)AGC對風(fēng)電場整體功率的調(diào)節(jié)。

對于永磁式風(fēng)力發(fā)電機，由于發(fā)電機是由永磁體勵磁的，發(fā)電機和VSC1變頻器之間可以無功的轉(zhuǎn)化，但是不需要他們進(jìn)行轉(zhuǎn)化，能夠依據(jù)實際的風(fēng)速隨時隨地地對電壓信號以及頻率進(jìn)行調(diào)整，在這樣的情況下，矢量控制方法中基于DQ同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，能夠出現(xiàn)相應(yīng)的電壓矢量UD和電頻FE以及UE，進(jìn)一步控制住發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

結(jié)語

在改變了實際的風(fēng)速之后，再來改變風(fēng)力機的轉(zhuǎn)速，這就是變速直驅(qū)永磁風(fēng)力機的控制策略。通過改變槳體來調(diào)整槳體的距離角，跟蹤風(fēng)力機的最大功率曲線，使風(fēng)力機得到最佳的風(fēng)力[7]?？刂七^程的關(guān)鍵是變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機的情況，對采集到的風(fēng)速信號進(jìn)行及時的調(diào)整，確保機組的轉(zhuǎn)速保持在額定功率附近。依據(jù)永磁發(fā)電機無功功率所存在的特點，為了控制好發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，使用DQ同步坐標(biāo)系的矢量控制方法進(jìn)行控制。全部的控制方法能夠有助于風(fēng)力機保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是因為控制系統(tǒng)比較復(fù)雜，并且需要高的、可靠的發(fā)電機，所以，應(yīng)該不停地提升所有部分的性能，提高變速直驅(qū)永磁發(fā)電機組的控制率。