風力發電變槳加載系統的研究與設計

甘敬松，劉炳鋒

GAN Jing-song1, LIU Bing-feng2

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

0 引言

兆瓦級變速恒頻風力發電系統中電動變槳技術是關鍵技術。變槳距是指大型風力發電機安裝在輪轂上的葉片借助控制技術和動力系統改變槳距角的大小從而改變葉片氣動特性，使槳葉和整機的受力狀況大為改善[1]。變槳伺服控制系統作為風力發電控制系統的外環，在風力發電機組的控制中起著十分重要的作用。它控制風力發電機組的葉片節距角可以隨風速的大小進行自動調節。在低風速起動時，槳葉節距可以轉到合適的角度，使風輪具有最大的起動力矩；當風速過高時，通過調整槳葉節距，改變氣流對葉片的攻角，從而改變風力發電機組獲得的空氣動力轉矩，使發電機功率輸出保持穩定。

變槳系統對三個變槳電機的速度跟隨和位置跟蹤要求極高，電機空載情況下無法準確判斷變槳電控系統是否達到設計要求。本文設計了一種基于直流發電機加載方案用來檢測和評價變槳系統的控制效果。其能夠在三個變槳電機軸上同時加載模擬因槳葉負荷和風力負荷而產生的力矩，亦可以模擬突然的暴風環境下的負荷加載情況。在3000rpm情況下扭矩可以達到95.5Nm，1500rpm以下恒扭矩191Nm，可以滿足3MW風機變槳系統額定風況和突然暴風環境下的模擬測試。

1 加載系統介紹

目前應用較為廣泛的加載系統是傳統的水力、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備產生的機械能轉化為熱能由水冷卻后把熱量帶走，被測試設備發出的能量不能回收，轉換過程中亦需要耗費能量。

直流發電機加載方案則可以把測試設備產生的機械能轉換成電能回饋到內部電網，供其他設備使用。加載前，先給直流電機勵磁繞組施加恒定勵磁電流，在電機氣隙中建立主磁場。起動被測試變槳系統電機，在起動瞬間，電機處于靜止狀態，直流電機處于電動狀態下工作，其電磁力矩作為被測試變槳電機的阻力矩，同時通過整流逆變器給直流電機投入電樞電壓，調節電樞電壓的大小可以控制施加于被測試變槳電機的啟動力矩大小。加載時隨著電機轉動，直流電機由反向電動狀態過渡到發電狀態，發電運行時電樞上的轉矩方程為：

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，可以通過調節直流電機電樞電流Iα來調節轉矩，直流電機與被測試變槳電機同軸旋轉，選擇直流電機勵磁電流的方向，使直流電機產生的力矩方向與被測試變槳電機轉動方向相反，則可實現對變槳電機的加載[2]。

該加載平臺結構如圖1所示，測控系統組成如圖2所示。

圖1 加載平臺結構簡圖

圖2 測控系統框圖

該加載系統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、可靠，技術水平達到國內領先水平；2）系統依靠計算機采集數據，軟件分析，使用易操作、易維護；3）加載方式為直流電機反饋加載方式，具有顯著的節能效果；4）加載特性從零轉速至額定轉速為恒扭矩特性，額定轉速至最高轉速為恒功率特性，完全符合動力機械的負載特性，實現了對變槳電機的零轉速加載，模擬變槳電機實際負荷工況；5）該系統不僅可以方便的實現雙向加載而且可以作為動力倒拖原動機，即作為加載設備時以恒流控制，作為原動機時以恒速控制。

2 系統硬件配置

2.1 電源部分

由于每臺直流加載電機功率為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，需考察電網容量，安排專門的接線柜。另外，由于系統中有許多的變頻整流設備，為防止對測量信號的干擾需嚴格遵循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、整流逆變器。根據系統回饋的需要選用直流機為加載主機，調節勵磁完成加載設定。整流逆變器采用西門子全數字直流可逆調速裝置，既可以作為直流調速裝置為直流電機調速，又可以作為具有穩流特性的逆變裝置，將直流電機發出的電能反饋到電網。

2.3 測控部分

測控部分主要包括轉速、轉矩、頻率檢測系統。采用現場總線結構，執行命令由工控機發出，通過現場總線傳送到整流器，由它執行動作。數據采集器安裝在聯軸器上，通過現場總線匯總到工控機和儀表柜，從而供系統計算、分析、顯示及打印。

3 系統軟件設計

試驗系統軟件設計采用以Windows系統為操作系統的可視化開發語言Delphi7.0。采用窗體式控制和友好的操作界面，對數據采集控制系統采集的各種信號量進行數據處理及分析，得出相應的數據報表及擬合曲線，根據開關量輸人、輸出控制和自動診斷試驗系統，對所有相關的設備進行啟停控制，其工作流程圖如圖3所示。

軟件在對采集數據進行處理過程中，針對監測、監控的關鍵量采用多線程處理，以提高試驗精度，并在軟件界面上進行實時監控顯示。為方便對多路數據的管理，該系統中利用Delphi內嵌數據庫來實現系統參數、測定數據及處理分析數據的分層管理。為了保證系統的安全運行，軟件對輸入的關鍵開關量進行實時判斷，據此調用相應的中斷處理子程序，主界面如圖4所示。

圖4 主界面圖

4 結束語

本加載系統采用直流發電機加載方式，系統由工控機自動測試，通過對變槳電機電控系統的實際使用表明，性能先進可靠，自動化水平高，操作簡便，易維護，節能率高。本加載系統的建立為變槳系統的開發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[M].北京:機械工業出版社,2005.