淺析電液調節系統在火電機組及風電機組中的應用

孫紅梅，武劍，高明

(1.北京電子科技職業學院，北京100029;2.北京京城新能源有限公司，北京100040)

蒸汽輪機作為傳統火力發電的主要機組，技術已經非常成熟。以北重公司生產的330 MW機組為例，其電液調節系統能完成各種規定的功能以對任何工況下的汽輪發電機組進行轉速和負荷的控制，如:升速、同步、增減負荷、限制、甩負荷等。上述功能是通過高壓調節閥和中壓調節閥控制進入高壓缸和中壓缸的蒸汽流量來實現的。

風電作為新型的清潔能源，受到越來越多地方政府和行業企業的青睞。其中風力發電機組(這里以某公司生產的2 MW 變速恒頻機組為例)的電液調節系統主要包括:調節槳距角、偏航制動和主軸制動等。

1 蒸汽輪機與風力發電機組的電液調節系統之異同

1.1 電液調節系統的硬件組成

蒸汽輪機的高壓缸進氣通過4個調節閥來調節，中壓缸和低壓缸進氣通過兩個截止閥來調節，每個閥門接收一個獨立的開啟指令。這些閥門的開啟和它們的閥位伺服控制是由DEH 電控系統發出指令，通過作用于閥桿上的牽引力來開啟，并通過一個單向動作的油動機來操縱。每一個油動機都由一個AEH控制，AEH是調節系統和油動機之間的電液轉換裝置[1]。其動作油源是一個12 MPa 運行壓力的抗燃油系統。該系統通過由一個隔離閥、一個止回閥、一個蓄能器和一個過濾器組成的供油塊與每個油動機相聯。

以上就是一個基本的蒸汽輪機結構，其中調節閥、截止閥、DEH 電控系統、油動機、AEH、抗燃油系統為電液控制系統的六大類硬件組成。而對于風力發電機組，其結構如圖1所示。

圖1 風機控制系統

從圖1中不難看出，該電液控制系統的控制、傳輸及其執行機構由下述對象組成:控制系統接收測風儀表的數據，對風速和風向作出判斷，這將作用于偏航機構、變槳機構和變頻器系統[2]。偏航機構由液壓控制的制動片組成，變槳機構則是由液壓動作的主軸制動器、控制油缸、安全油缸(兩種油缸均為雙向動作)及其配置蓄能器組成。這是由一個16 MPa系統壓力的液壓站提供的油源。通過液壓站上的數個電磁閥對油缸及制動機構實現協調。

1.2 電液調節系統的軟件區別

經過幾十年的技術引進和消化吸收，蒸汽輪機的控制技術已經完全為國人所掌握，像捷克、前蘇聯、歐洲及西屋技術流派已經或正在被國內的各大控制公司所終結。除占少量數字比例的超超臨界火電機組外，其余蒸汽輪機的電液調節系統已經完全國產化。對它們的研究已經走向高端，國內多家自動化控制公司已經有了向國外輸出技術的能力和實力，而對于風電控制技術，其軟件現狀卻任重而道遠。

風力發電系統中的控制技術和伺服傳動技術是其中的關鍵技術。風的大小方向隨機變化，致使風力發電機組的切入、切出、輸入功率限制、偏航對風及運行中的故障檢測和保護必須能夠自動控制。而無人值守的客觀條件下，其控制的可靠性要求可想而知。全新的變速恒頻技術引入到風機控制中后，采用轉速控制和功率控制風機的啟停性能和功率輸出特性有了顯著改善，電液伺服閥的應用使得液壓系統從單純執行機構演變為帶閉環的控制系統。幾十年的控制經驗積累，風機技術已經逐漸成熟。但所有這些都限于國外，技術封鎖這個詞在風機行業里并不陌生，在風機控制技術上，國外著名風機制造商的封鎖程度是可以想象的。著名風機制造商VESTAS 在經歷技術轉讓而造就了一個強大的競爭對手之后，先進的歐洲風機控制技術就已經無緣于中國人。國內的大小幾十家企業靠生產許可引進國外風機制造技術，但核心的控制技術卻始終掌握在外國公司手中，而這帶來的直接困難就是:支出高額的技術轉讓費之后，還要長期支出高額的調試服務費用;短時間內無法吃透控制技術，導致所有問題都需要外國專家來解決，滯后的節奏甚至成為了拖垮一個企業的根本原因。

如何才能擺脫困境，毫無疑問，國內的電液調節自動化公司應該勇于承擔這份工作，而風機制造企業也應積極開發軟件平臺。

1.3 電液調節系統的控制策略差異

1.3.1 蒸汽輪機控制策略

(1)汽輪機為中壓缸啟動。所謂中壓缸啟動是指由沖轉開始直到機組帶到15%負荷，均由中、低壓缸完成，而高壓缸處于隔絕的狀態。滿足切缸條件后，進行高壓缸切換，再由高、中、低壓缸帶到額定負荷，全過程自動化。

(2)為保證中壓缸啟動，必須配置高、低壓旁通系統，并與汽輪機并列運行。高、低壓旁通系統功能:

①調節功能。為保證中壓缸啟動的參數，由高旁調節高壓進氣的壓力和溫度(冷態4.0 MPa，380℃)，由低旁調節中壓缸的進氣參數(冷態1.5 MPa，360℃)。液壓系統精度要求高。

②保安功能。汽機甩負荷時，或進氣壓力過高時，快速打開高、低旁，避免進氣壓力過高。

③回收工質。汽機甩負荷，蒸汽由高、低旁進入冷凝器，回收寶貴蒸汽，避免蒸汽排空。

(3)保護回路有液壓機械式危急遮斷器及電超速保護。

(4)火電電液控制原理如圖2所示。

圖2 火電電液控制原理

1.3.2 風電控制策略[3]

根據空氣動力學中的貝茲(Betz)理論，一臺風力發電機機實際所捕獲的風能轉變為機械輸出功率Pm的表達式為:

式中:ρ為空氣密度(kg/m3)，R為風輪半徑(m)，v為風速(m/s)，Cp為風能利用系數。

由上式可知:(1)若風速v為常數，則Pm與風輪半徑R2成正比，即為獲得較大的輸出功率，風輪機要有盡可能大的半徑，即盡可能大的風輪葉片掃掠面積。但大尺寸的風輪勢必導致葉輪成本增加，而且安裝難度加大。(2)若風輪半徑R為常數，P∝v3，于是要求風力發電機組要盡可能安裝在高風速的地域，這則與自然條件有關。同一位置，高度越高，風速越大，要求塔架應用一定的高度。(3)風輪功率與風輪葉片數無關，但與空氣密度成正比。(4)較大的風能利用系數Cp，可提高風輪功率。風能利用系數Cp不是一個常數，理論上其最大值為0.593，也稱為Betz 極限，它隨風速、風輪轉速及葉片參數(如槳距角β 等)的變化而變化，通常，Cp=Cp(β，λ)，這里的λ 定義為葉尖速比:

λ=Rω/v

風輪的最高效率在λ=5～8之間，R是風輪半徑，v是風速，ω是風輪角速度。根據風機特性，Cp是λ的非線性函數，對應不同風速，均有某一相應風輪轉速下的最大值，為實現最大風能捕獲，風機需要根據風速實時調節轉速，以跟蹤功率曲線的最大值。

由以上公式可知:在風速給定的情況下，風輪獲得的功率取決于功率系數。若在任何風速下都可以保持在Cpmax點運行，便可獲得最大的輸出功率。即只要使得葉尖速比λ=λopt，就可獲得最佳的功率系數。這就是變速風力發電機組進行轉速控制的目標，按照恒定的Cp(或恒定的λ)控制風機，直到轉速達到最大極限，然后按恒定轉速控制機組，直到功率最大，最后按恒定功率控制機組。

這樣，就把風機的運行過程分為3個階段:

(1)啟動階段。處于切入轉速以下，不作控制。

(2)額定風速以下區域。理論上講，風機可以依據風速變化按照任何轉速運行，以獲得最大能量，但基于轉速限制(機械限制)，需要其只運行在Cp恒定區，即追蹤Cpmax曲線。改變槳距角會迅速降低Cp，因此在低風速段加入變距調節是不合適的。

圖3 Cpmax曲線

Cp恒定區，風力發電機組受到給定的功率－轉速曲線控制。Popt的給定參考值隨轉速變化，由轉速反饋算出。Popt以計算值為依據，連續控制發電機的輸出功率，使其跟蹤Popt的曲線變化。用目標功率與發電機實測功率的偏差驅動系統達到平衡。如圖3所示。

轉速恒定區，保持Cpmax恒定，即使沒有達到額定功率，發電機最終將達到其轉速極限，此后風機進入轉速恒定區。即隨著風速的增大，發電機轉速恒定，功率則繼續升高直至額定。以額定轉速為給定值，與實測轉速形成閉環，控制系統按轉速控制方式工作[4]。

(3)額定風速以上區域。即功率恒定區，以額定功率為給定值，與實測功率形成閉環控制，以追蹤額定功率曲線。這時作者加入了變槳距控制，但由于功率限制(電氣限制)，使得風機只能運行在功率恒定區。變槳距控制的目的在于限制風機轉速和系統輸出功率。由于槳距角與風機轉速、系統輸出功率為強非線性關系，因此其控制規律很難把握，這給槳距角控制帶來了困難[5]。

變槳距控制系統實際上是一個隨動系統，過程如圖4所示。

圖4 變槳距控制系統

對液壓系統采用比例閥(伺服閥)控制的方式受到高度重視。根據輸入電信號的大小，通過放大器將該信號轉換成相應的電流信號，并將其作為輸入量傳送到電磁鐵，從而產生和輸入信號成比例的輸出量:力或位移，再動作比例閥(伺服閥)，產生成比例的流量和壓力。

綜上可以看出:在蒸汽輪機電液控制中，由于其復雜性、龐大性，要求其電液控制能夠滿足各種需求，主要體現在控制的實現方面，復雜的系統控制點有幾百個，關系到液壓的也有上百個，其電液系統的復雜性可想而知。而風力發電的控制點比較少，其控制對象很明確，也沒有重復利用能源的問題，所以電液系統相對簡單，而其液壓部分不光體現在控制上，更多地也體現在制動功能上，所以必須要求高可靠性。

1.4 電液調節系統的參數精度差別

蒸汽輪機有強大的永磁式測速發電機與高壓轉子剛性連接，有可靠轉速信號。發電機頻率在轉子轉速為3 000 r/min時，為1 200 Hz，電流5 A，電壓為115 V (嚴格與頻率成正比)，電功率強大，防干擾能力強。測速卡的主頻為2 M，轉速測量的精度高。這種精度要求同樣體現在液壓系統，單作用缸的非進油側受高壓彈簧控制，一旦動作，主汽門會在250 ms內關閉，極大程度上保護汽輪機。

對風力發電機組來說，控制精度并不高，變槳的角度誤差有時甚至可以達到2°，其效率影響不大。雙作用液壓油缸就是這種要求下的產品，順槳或啟機過程中，由于葉片的強大慣量，要求其兩側進油均應均衡有力，而非只要求速度。可以看出，風力發電的精度要求并不高，而是體現在可靠性上，所以基于此原因，在明確控制對象后就完全沒有必要在提高精度、速度方面下更多功夫[6－7]。

2 結論

經過對蒸汽輪機和風力發電機在4個方面的對比分析，不難發現:火電與風電的控制系統各有千秋，前者是定制產品，其產品千變萬化以適應使用要求;后者是批量產品，其控制理念是要求有極強的可復制性，甚至是“拷貝、粘貼”的過程。基于我國幅員遼闊、地形環境復雜多樣的現狀，未來多種發電形式并存，但不斷提高發電效率、充分利用資源是所有電力設備制造企業的一貫目標。

【1】徐廣喜，李保水.國產300 MW機組中壓缸啟動方式探討[J].河南電力，2003(2):14－19.

【2】屈圭，梅滬光，吳曉丹.大型風電機綜合液壓系統設計[J].機電產品開發與創新，2009(7):29－31.

【3】葉杭冶.風力發電機組的控制技術[M].北京:機械工業出版社，2002.

【4】劉其輝，何益康，趙仁德.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制[J].電力系統自動化，2003，27(20):62－67.

【5】林勇剛，李偉，崔寶玲，等.風電機組電液比例變槳距技術研究[J].太陽能學報，2007，28(6):658－661.

【6】胡東，趙湘文，蔡旭.基于SimHydraulics的兆瓦級風機液壓型變槳系統仿真[J].機床與液壓，2009，37(10):205－208.

【7】劉少輝，林少芬，陳清林.液壓系統壓力波動與沖擊的動態仿真試驗研究[J].機床與液壓，2009，37(11):195－198.