雙饋風電機組的轉速控制與超速參數設置

文 | 王明軍

變速變槳風電機組主要采用變槳距方式改變捕風能力，調節機組功率和轉速。機組的轉速控制、超速保護設置，直接關系到機組運行安全、部件壽命、故障概率和年利用小時數等。在進行轉速控制和超速保護設置時，既需保證設備安全，又要充分發揮機組性能。采用適當的控制方式，合理地設置控制參數，可以提高設備的經濟性，大幅度地提升機組的穩定性。

本文就德國REpower變速變槳1.5MW雙饋機組（同步轉速為1500rpm，運行范圍是1000～2000rpm）的轉速控制、超速停機及超速參數設置值等進行分析和闡述。

變速風電機組控制及轉速限制問題

變速風電機組的轉速控制一般可分為兩種情況：在低于額定風速時，通過變頻器的調節控制發電機的電磁轉矩，實現機組的轉速控制；在高于額定風速時，一般采用調節槳距角的方法將多余的能量釋放出去，實現機組轉速控制。

一、變速變槳風電機組的優點

與恒速機組相比，變速機組的主要優點如下：

（1）葉輪能在很寬的風速范圍內跟蹤最佳葉尖速比，從而使風能利用系數最大，提高了系統效率。

（2）自然狀態的風隨機可變，當出現極限陣風，風速突然增大時，可提高葉輪轉速，使一部分能量以動能形式存儲，保證機組的輸出功率基本不變；當風速降低，葉輪存儲的動能再以電能的形式輸出，使機組的功率輸出平穩，從而減小風速變化對電網的沖擊。同時，有效地避免了機組傳動結構上的受力突變，減小風速變化對機組機械部件造成的沖擊，降低機械部件的疲勞損傷，延長部件和機組的使用壽命。

二、變速雙饋機組的超速參數設置

當變速雙饋風電機組處于超同步運行狀態時，轉子轉速高于同步速，如果距超速保護定值的裕度過小，那么，出現極限陣風或受電網故障擾動后可能觸發超速保護停機，對機組部件和發電造成不利的影響。當機組因其他故障停機時，不必要地觸發超速停機，影響機組的故障判斷等。因此，超速保護參數的設定值不能過低。另一方面，機組運行轉速過高，則可能危及發電機、變頻器等機組部件的安全。因此，合理的轉速控制和超速參數對機組的正常運行至關重要。

在設置雙饋風電機組的超速參數時，主要需考慮以下幾個方面：

（一）發電機的承受能力

GB/T23479《風力發電機組 雙饋異步發電機》中對發電機有這樣的規定：“發電機處于熱態，應承受1.2倍的最大工作轉速，歷時2min。超速試驗后發電機各部件應無永久性變形和不產生妨礙發電機正常運行的其他缺陷。”因此，在設置超速參數時，應考慮雙饋機組發電機的承受能力。

（二）雙饋機組的變頻器容量及發電機轉子電壓

雙饋風電機組變頻器的容量很小，約為發電機的轉差容量（即發電機定子輸出容量與轉差率絕對值的乘積）。在雙饋發電機定子輸出容量一定的情況下，變頻器的勵磁容量與轉差率的絕對值成正比。也就是說，雙饋機組的轉速運行范圍越寬，轉子變頻器的勵磁容量也就越大。因此，在系統設計時，應注意發電機的轉速運行范圍與變頻器容量之間的優化和權衡問題，以達到較好的經濟性能指標。

變頻器的輸出電壓為發電機轉子開路電壓與轉差率絕對值的乘積，因此，轉子開路電壓等級的確定，既要考慮變頻器的電壓等級，也要考慮發電機的轉差率。轉子電壓和轉子電流在不同的運行狀態下大小不同，在轉差率的絕對值最大時，轉子電壓最大。

（三）機組運行的最高并網轉速

在設定機組額定轉速與超速參數值時，應充分考慮機組正常運行的速度上升空間，以利于葉輪跟蹤最佳葉尖速比和短時陣風時的葉輪儲能，提高機組效率。在機組允許的并網運行轉速范圍內，不應設置沒有延時的瞬間停機超速保護。

在機組運行范圍內設置沒有延時的超速停機保護會造成：機組的并網運行范圍縮小；當機組負荷較高，且風速急劇變化時，機組報超速停機頻繁。如采取修改變槳控制算法參數的方法，來解決沒有延時超速停機保護參數設置錯誤所帶來的超速停機問題，則必將影響葉輪的儲能和發電量。這不僅不能使超速停機問題得到徹底解決，還可能影響部件壽命，增加機組的故障概率等。

（四）甩負荷停機后，機組需要有足夠飛升轉速的速度空間

機組在高負荷執行低電壓或高電壓穿越的過程中，需要一個較大的速度上升空間，不能因超速保護而停機脫網；當機組執行甩負荷故障停機時，應有足夠的葉輪飛升的速度空間，在機組順槳正常的情況下，不應觸發斷安全鏈的剎車200超速保護，以保護機械部件（如齒輪箱、葉片、塔筒等）免受損傷和沖擊。

REpower1.5MW雙饋風電機組的超速參數設置

為限制超速、保障機組安全，REpower 1.5MW機型采取了較為合理的控制策略，并設置多個限制機組超速的狀態碼：213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態碼213為只報警不停機外，其余9個均為停機保護。

下面就該機型超速控制策略、超速控制狀態碼和超速參數設置值進行分析。

一、機組并網運行的轉速控制

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

實踐證明，當機組無故障時，按照REpower超速參數設置方式，在眾多風況條件下，機組在設計的整個運行風速段內均不會報軟件超速，更不會報硬件超速停機。

按照REpower的參數設置，“極限陣風”狀態碼213的控制和參數設置為：當機組高速軸轉速達到1960rpm，且時間超過0.2s時，控制機組的“額定轉速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm），改為由設定的“安全轉速”（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，機組轉速下降，“安全轉速”的控制時間為“安全時間設定值”（G）safe time xxx s（主控WP3100默認值：600s，此參數應根據機位的風況條件進行調整，應以機組既能避開極端風況，又不因多次“極限陣風”報“重復故障”停機為準）。在此之后，機組的轉速控制，再次從“安全轉速”控制恢復到由機組正常的“額定轉速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm）控制，并以主控設定“安全提升速率”（G）safe ramp xx rpm/s（WP3100默認值：10rpm/s）升速。

另一方面，當出現短時陣風時，葉輪轉速迅速升高，實現能量的存儲。葉輪轉速達到了1960rpm，但沒有超過0.2s，則不執行該狀態碼，這樣，機組的實際最高運行轉速更接近2000rpm，有利于盡量多地吸收風能，同時，避免短時陣風對機械部件造成的沖擊。當風速下降時，葉輪轉速降低，短時儲存的動能轉化成電能，從而保證機組的功率穩定。

在通常風況條件下，通過設定的“額定轉速”控制機組轉速。當風況較差、風速不穩時，可以通過激活“極限陣風”狀態碼213把機組轉速控制在正常運行范圍內，以降低額定轉速的形式限制轉速，此狀態碼只報警不停機。在風況相對穩定、機組轉速得到有效控制后自動恢復到正常的額定轉速設定值進行控制。這樣，既保證了機組最大限度地吸收風能，提高發電量，又能較好地把機組轉速控制在正常運行范圍之內。

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

二、保證機組安全的軟件停機

為保證機組安全，避免機組轉速過高，在機組最大運行轉速2000rpm附近，設置了“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”兩道限制轉速的停機保護指令。

狀態碼1905，為剎車52，當機組齒輪箱高速軸轉速達到1950rpm，機艙控制柜內的硬件WP2135動作，通過接線和滑環，把信號傳到輪轂內的變槳控制器，由變槳控制器程序設定延時0.3s，如果在0.3s后硬件WP2135仍處于斷開狀態，此時變槳控制器就不再接受主控指令，只按變槳控制器程序執行5°/s的變槳驅動器順槳，同時，再通過變槳通信傳給主控（由主控的RPM OK信號狀態得到顯示），主控報“變槳自主運行（1905）”故障，執行降負荷停機；如果硬件WP2135斷開的時間不足0.3s，則不執行該狀態碼，機組不會停機。因變槳控制器設定的延時時間為0.3s，而達到硬件觸發值后，超速模塊WP2135動作還需要時間，因此，實際延時觸發“變槳自主運行（1905）”的時間大于0.3s。在某些特殊情況下，通過變槳控制器執行“變槳自主運行（1905）”，即可保障機組及部件安全。

因“變槳自主運行（1905）” 的執行條件僅略高于“極限陣風（213）”，兩者的觸發條件相當接近。在機組運行過程中，可能同時滿足這兩個觸發條件，這就可能在執行“極限陣風”的同時，執行“變槳自主運行”。機組會因執行“變槳自主運行”而停機。

為保證機組長期穩定運行，當兩個觸發條件同時滿足時，則優先執行“極限陣風（213）”，而不執行“變槳自主運行（1905）”程序。因此，機組就不會因執行“變槳自主運行”而停機，同時也避免了機組誤報故障。

按照REpower機組配置的ALSTOM變頻器參數設置，當轉速達到2000rpm，超過延時設定值0.1s（有的變頻器則設置為2050rpm，沒有延時），達到“變頻器超速（1411）”的觸發條件，則并網運行轉速超過變頻器的能力，變頻器會自動甩負荷脫網，再由變頻器發出信號傳到主控輸入端口，執行剎車程序75，采用變槳驅動器順槳，順槳速率為8°/s。其速度信號來自于發電機編碼器。

以上兩個超速停機保護狀態碼，通過兩個完全不同的路徑觸發順槳停機，以確保機組并網運行轉速不會超出運行范圍，或不超出運行范圍太遠，保護變頻器、發電機等部件及機組安全。

三、3個“軟件超速”的設置及超速保護的執行順序

該轉速控制方案還設置了3個沒有延時的“軟件超速”保護，即：齒輪箱軟件超速（310）、低速軸軟件超速（311）和發電機軟件超速（312）。當轉速上升到3個“軟件超速”設定值，則會報出310、311、312超速故障。

按照REpower超速參數設置（統一換算成高速軸轉速），設定的超速參數值均為2178rpm（剎車程序75），轉速信號分別來自3個不同的測速探頭。由主控軟件判斷執行，沒有延時，執行受控的變槳驅動器順槳停機，順槳速率為8°/s。

在執行轉速控制和超速停機保護時，有著嚴格的先后邏輯順序。首先，執行“極限陣風（213）”；其次，執行“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”；最后，執行“軟件超速”，報310、311、312故障。

與機組超速有關的主控、變槳控制程序，或參數設置值如有不同，機組的運行狀況可能會大不一樣。

例如：在編制“變槳自主運行”控制程序時，沒有設置0.3s延遲，或沒有設置“極限陣風（213）” 程序優先于“變槳自主運行”執行的條件，這樣，在大風時節、風速極度變化時，機組會頻繁報“變槳自主運行（1905）”停機，造成機組頻繁報故障停機。

再如：設置的3個“軟件超速”觸發值過低，距離最高運行轉速較近，甚至設在機組的運行范圍之內，則會造成大風期間頻繁報“軟件超速”停機和報故障不準確等。

四、剎車200超速停機的參數設置和作用

在機組順槳正常的情況下，通常不觸發“剎車200超速”。機組報“剎車200超速”停機時，將啟用備用電源緊急順槳，同時，主軸剎車器參與制動。報“剎車200超速”停機是轉速失控，或機組飛車的重要標志。

兩個“剎車200軟件超速”停機分別是：“低速軸剎車200軟件超速（317）”和“齒輪箱剎車200軟件超速（328）”，它們的測速信號分別源自兩個不同的測速探頭，觸發值由主控軟件設定，并通過主控軟件執行剎車200停機以及斷安全鏈。

兩個“剎車200硬件超速”停機分別是：“發電機WP2035硬件超速（319）”和“低速軸WP2035硬件超速（320）”。它們信號來源為硬件超速模塊，執行時報剎車200，并斷安全鏈。這兩個硬件超速保護命令，僅與超速模塊及其硬件設置有關，而與主控的軟硬件和參數設置無關。

以上4個“剎車200超速”，其設置值均為2400rpm，順槳速率理論上為15°/s，其實際速度與電池電壓、電流、變槳電機、變槳齒輪箱速比、機組運行狀態等有關，觸發后，需到現場進行安全鏈復位。

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

結論

合理的轉速控制和超速參數設置，既對保護設備有利，又能充分發揮機組的性能，以最大限度地降低風電機組的度電成本。因此，轉速控制和超速參數設置對機組安全運行和提高發電量有著重要的意義。

云南的老青山、松子山、聯合、小白龍、羊雄山、趕馬路、云臺山，陜西的李家梁和四川廣元的芳地坪等不同地區、多個復雜山地地形風電場幾百臺機組的長期現場運行實踐表明，本文所述的轉速控制方式及超速參數設置值，不僅適用于東方風電的FD70、FD77國產化1.5MW機組，還普遍適用于東方風電自主研發的FD82、FD87、FD89和FD93等機型的1.5MW機組。由流體力學的相似原理可知，該轉速控制及超速設置方案對其他機型具有重要的借鑒意義和參考價值。