海上風(fēng)力發(fā)電液力調(diào)速控制系統(tǒng)分析

王 迪，常 山，楊 龍

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所，黑龍江 哈爾濱 150078)

0 引 言

我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)存總量極其豐富，風(fēng)能清潔環(huán)保無(wú)污染，因此風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今新能源開發(fā)價(jià)值最高的領(lǐng)域。相比陸地發(fā)電，我國(guó)擁有18 000千米長(zhǎng)的大陸海岸線，可利用海域面積300多萬(wàn)平方千米。海上發(fā)電空間廣闊，風(fēng)速波動(dòng)小，工作時(shí)間長(zhǎng)。我國(guó)海上發(fā)電多建造在東南部沿岸灘涂和近海領(lǐng)域，沿海省份人口稠密，經(jīng)濟(jì)發(fā)展快，用電量大，同時(shí)發(fā)電運(yùn)輸更加便利。

現(xiàn)今主流的變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng)，在電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間加入變流器，由此使得風(fēng)輪可以變速運(yùn)行。在主齒輪箱和發(fā)電機(jī)之間加入一個(gè)無(wú)級(jí)調(diào)速的行星齒輪調(diào)速裝置適應(yīng)風(fēng)輪的變速運(yùn)行工況，并且使用了和常規(guī)火電、水電機(jī)組一樣的恒速恒頻同步發(fā)電機(jī)，采取了與早期恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組感應(yīng)發(fā)電機(jī)同樣的直聯(lián)電網(wǎng)的方式。這種新型液力調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)變速輸入恒速輸出，具有發(fā)電品質(zhì)更高、對(duì)電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)。

1 海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)匹配關(guān)系

采用液力調(diào)速裝置海上發(fā)電并網(wǎng)機(jī)組的工作模式一般分為4個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。A到B段：風(fēng)速達(dá)到切入發(fā)電風(fēng)速，風(fēng)力機(jī)起動(dòng)加速直到并網(wǎng)同步；B到C段：風(fēng)速低于額定發(fā)電風(fēng)速，調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速獲得最佳葉尖速比，跟蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù)；C到D段：接近額定功率風(fēng)速區(qū)的恒速控制，調(diào)節(jié)液力變矩器的導(dǎo)葉開度使得行星液力調(diào)速裝置恒速輸出；D到E段：隨著功率增大，發(fā)電機(jī)和變流器達(dá)到其功率極限，調(diào)節(jié)槳矩角，限制輸出功率[1 - 2]。

在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，輸出到發(fā)電機(jī)組恒速1 500 r/min，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速允許在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化，發(fā)電機(jī)組只需控制載荷轉(zhuǎn)矩。在最佳葉尖速比下，風(fēng)能利用系數(shù)最大，就是說(shuō)葉輪可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。這用來(lái)說(shuō)明具有同直徑的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以比恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得更多能量[3]。液力調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。

圖1 變速運(yùn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率特性Fig.1 Variable speed operation of offshore wind turbine power characteristics

圖2 行星液力調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of planetary hydraulic speed control drive system

1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系

1）裝置的輸出轉(zhuǎn)速

旋轉(zhuǎn)輪系運(yùn)動(dòng)方程

固定輪系運(yùn)動(dòng)方程

固定輪系的齒圈轉(zhuǎn)速即為旋轉(zhuǎn)輪系齒圈的轉(zhuǎn)速為

2）液力變矩器轉(zhuǎn)速比與裝置傳動(dòng)比的關(guān)系

由固定輪系運(yùn)動(dòng)方程（5）可得：

1.2 液力變矩器的基本關(guān)系式

1）液力變矩系數(shù)

2）液力變矩器傳動(dòng)效率效率

1.3 傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系

1）固定輪系

根據(jù)固定輪系和旋轉(zhuǎn)輪系構(gòu)件間的連接關(guān)系，固定輪系齒圈和旋轉(zhuǎn)輪系的齒圈作用轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系：

3）裝置輸入軸轉(zhuǎn)矩

裝置輸入轉(zhuǎn)矩為

1.4 分流功率比及總體傳動(dòng)機(jī)械效率

1）液力變矩器泵輪輸入功率占裝置輸入功率的比例

2）液力變矩器渦輪功率占裝置輸入功率的比例

3）裝置總體傳動(dòng)機(jī)械效率

2 液力變矩器自適應(yīng)特性功能體現(xiàn)

根據(jù)前面對(duì)風(fēng)輪與液力調(diào)速裝置匹配工作的分析，得到液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系為：

變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩是標(biāo)準(zhǔn)的比例關(guān)系，而渦輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系則是一條負(fù)斜率直線的關(guān)系，即隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增大，而液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速則降低，渦輪輸出轉(zhuǎn)矩也增大。參考某典型的海上風(fēng)輪特性曲線，采用以上關(guān)系式可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的液力變矩器輸出工況點(diǎn)參數(shù)。得到適應(yīng)風(fēng)力機(jī)工況的液力變矩器輸出特性曲線如圖3所示。

圖3 對(duì)應(yīng)風(fēng)輪工況液力變矩器渦輪輸出特性曲線Fig.3 The turbine output characteristic curve of hydraulic torque converter in the wind condition

這種典型工況計(jì)算得到的特性曲線正是液力變矩器近似雙曲線特性的特征，也正是液力變矩器本身自動(dòng)適應(yīng)性的體現(xiàn)。作為流體機(jī)械，液力變矩器的輸出特性與風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性相吻合，將兩者配合起來(lái)使用再理想不過(guò)。

3 海上發(fā)電液力調(diào)速裝置控制系統(tǒng)分析

3.1 同步發(fā)電機(jī)的恒速控制

采用液力調(diào)速裝置技術(shù)的海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng)，恒速風(fēng)電機(jī)組的異步發(fā)電機(jī)沒有任何的附加控制系統(tǒng)，其特性完全是由其自身的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性決定的。采用液力調(diào)速裝置技術(shù)的機(jī)組也是一類發(fā)電機(jī)恒速的風(fēng)力發(fā)電形式，保持同步發(fā)電機(jī)的恒速運(yùn)行也不會(huì)附加其他的控制環(huán)節(jié)，依靠的是同步發(fā)電機(jī)自身的工作特性及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性。通過(guò)液力調(diào)速齒輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以得出同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

從這個(gè)關(guān)系式出發(fā)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持恒定的發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速是很自然的控制思路，并且液力調(diào)速裝置的主控回路要有渦輪輸出轉(zhuǎn)速的采樣反饋。實(shí)際的液力調(diào)速裝置中，液力變矩器的導(dǎo)葉開度則專設(shè)一個(gè)位移傳感器，主控回路為導(dǎo)葉開度的反饋控制，變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速不是采樣值而是一個(gè)計(jì)算值。渦輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系：

因此，以系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析得出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系為根據(jù)而認(rèn)為的直觀控制思路應(yīng)該放棄?？梢赃@樣講，同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng)是恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速控制。

3.2 系統(tǒng)控制回路

液力調(diào)速裝置的海上風(fēng)電控制系統(tǒng)主要控制3套回路：變槳距角調(diào)節(jié)、液力變矩器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)。變槳距角調(diào)節(jié)是額定風(fēng)速以下優(yōu)化槳距角運(yùn)行，額定風(fēng)速以上，變槳距控制限制風(fēng)能獲取，維持額定發(fā)電功率；相關(guān)控制信號(hào)有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。液力變矩器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)變矩器渦輪輸出特性（轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速），適應(yīng)跟蹤發(fā)電機(jī)組目標(biāo)功率曲線風(fēng)輪工況的調(diào)整；相關(guān)控制信號(hào)有導(dǎo)葉開度、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)是提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈勵(lì)磁電流，保持發(fā)電機(jī)輸出端電壓穩(wěn)定，調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率；相關(guān)控制信號(hào)有勵(lì)磁電壓、電網(wǎng)電壓、發(fā)電機(jī)頻率[6]。原理如圖4所示。

圖4 采用液力調(diào)速裝置的海上風(fēng)電控制系統(tǒng)Fig.4 The offshore wind power control system using hydraulic speed control device

4 海上風(fēng)電液力調(diào)速系統(tǒng)控制策略

采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的海上風(fēng)電系統(tǒng)屬于風(fēng)輪變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其控制的基本思想理論上仍然是取得最佳葉尖速比，獲得最大風(fēng)能利用系數(shù)，跟蹤目標(biāo)功率曲線的控制策略。液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速運(yùn)行控制，液力變矩器導(dǎo)葉開度參考信號(hào)是基于平衡輸出端扭矩給出的。

4.1 海上風(fēng)力機(jī)工作特性

圖5 風(fēng)力機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩（轉(zhuǎn)速特性）Fig.5 Target torque for wind turbine(speed characteristic)

4.2 液力變矩器外特性曲線上的工況點(diǎn)

導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器外特性如圖6所示。由風(fēng)力機(jī)與液力調(diào)速裝置匹配工作分析得到液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速（）與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速（）和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速（）的關(guān)系為：

渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：

圖6 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器外特性Fig.6 Target torque for wind turbine(speed characteristic)

發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)、同步發(fā)電機(jī)工作特性確定同步，針對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況采樣得到的液力調(diào)速裝置輸入轉(zhuǎn)速（）可確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速：，從而液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速可定：

適應(yīng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況液力變矩器的渦輪輸出轉(zhuǎn)矩可由風(fēng)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩確定：

液力調(diào)速裝置運(yùn)行中液力變矩器導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)控制類似于做導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器的特性試驗(yàn)，導(dǎo)葉調(diào)至某一開度，風(fēng)輪對(duì)液力變矩器渦輪實(shí)施加載操作，在調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速的情況下，“讀出”液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩。

4.3 液力變矩器的泵輪輸入轉(zhuǎn)矩

圖7 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器原始特性Fig.7 The original properties of the torque converter with adjusting guide vane

4.4 液力調(diào)速裝置的輸出轉(zhuǎn)矩

穩(wěn)定工況下，旋轉(zhuǎn)輪系中太陽(yáng)輪上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系為：

由液力調(diào)速裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)輪系中心中太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩與渦輪轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系式

得到發(fā)電機(jī)軸上的作用轉(zhuǎn)矩：

采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為

5 結(jié) 語(yǔ)

1）液力調(diào)速裝置的旋轉(zhuǎn)行星齒輪疊加了2種可變轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)恒定的輸出轉(zhuǎn)速，應(yīng)用在同步發(fā)電機(jī)中，實(shí)現(xiàn)變化的風(fēng)速輸入恒速1 500 r/min輸出并網(wǎng)發(fā)電。

2）海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)開始發(fā)電，槳葉角跟隨最佳風(fēng)能利用系數(shù)開始變化，接近額定風(fēng)速開始恒速控制。到達(dá)海上風(fēng)力發(fā)電功率極限時(shí)，調(diào)節(jié)槳葉角使得實(shí)際發(fā)電功率不超過(guò)發(fā)電機(jī)組極限。

3）同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng)就是恒速運(yùn)行的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速控制。

4）通過(guò)數(shù)學(xué)模型分析出海上風(fēng)電風(fēng)力機(jī)特性、同步發(fā)電機(jī)功角特性與液力變矩器輸出參數(shù)、液力調(diào)速裝置輸出參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。