淺談?dòng)来胖彬?qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制

傅永安 張佛詳

（國(guó)華（哈密）新能源有限公司，新疆 哈密 839000）

一、發(fā)電機(jī)速度控制技術(shù)

1.恒速恒頻式發(fā)電機(jī)組

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

首先，由于該機(jī)組的轉(zhuǎn)速是恒定的，因此，確定當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，機(jī)組不能以最佳轉(zhuǎn)速運(yùn)行，即無(wú)法達(dá)到最佳葉尖速比，風(fēng)能利用率較低。其次，氣動(dòng)力理論分析。由于風(fēng)速是恒定的，伴隨著風(fēng)速的強(qiáng)烈的起伏，會(huì)產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的變動(dòng)。接著傳動(dòng)軸的機(jī)械應(yīng)力會(huì)發(fā)生顯著的變動(dòng)，使得輸出功率產(chǎn)生震動(dòng)，同時(shí)，將會(huì)使得風(fēng)機(jī)的機(jī)械使用壽命下降。最后，機(jī)組無(wú)法測(cè)量，電網(wǎng)輸出無(wú)功功率無(wú)法連續(xù)調(diào)節(jié)，輸出電能的質(zhì)量不高[1]。因?yàn)橐陨系姆N種問(wèn)題，在機(jī)組中的運(yùn)用非常的少見(jiàn)。

2.發(fā)電機(jī)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(diǎn)是如果在有效的范圍之中的時(shí)候，發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速是能夠變化的，恒頻交流電流。這種發(fā)電機(jī)組采用的是發(fā)電機(jī)一般為雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)。對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)而言，轉(zhuǎn)子和風(fēng)扇軸相連接，經(jīng)過(guò)的是齒輪箱，發(fā)電機(jī)定子和電網(wǎng)直接相鏈接。經(jīng)過(guò)背靠背變流器，轉(zhuǎn)子和電網(wǎng)相鏈接。

通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)差，使發(fā)電機(jī)的三種運(yùn)行狀態(tài)分別為次同步、同步和超同步[2]。同時(shí)，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(shí)，只能選擇裝機(jī)容量的1/2或者是1/3，會(huì)使得成本快速的降低，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得變頻器能夠在市場(chǎng)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(jī)相比較而言，還是存在著一部分的缺點(diǎn)的：比如容易漏油，輪箱有比較高的成本，需要定時(shí)地對(duì)發(fā)電機(jī)滑環(huán)電刷進(jìn)行更換以及檢查，維護(hù)成本高，運(yùn)行可靠性降低。

3.變速變頻式發(fā)電機(jī)組

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

與雙饋風(fēng)力機(jī)相比，永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)具有許多固有的優(yōu)點(diǎn)。首先，永磁直驅(qū)風(fēng)機(jī)通常采用多級(jí)永磁作為轉(zhuǎn)子，不需要高速，所以也不需要這個(gè)變速箱。轉(zhuǎn)子通過(guò)聯(lián)軸器與發(fā)電機(jī)軸直接連接，降低噪聲。其次，由于其結(jié)構(gòu)原因，無(wú)滑環(huán)和電刷，機(jī)組運(yùn)行可靠性較高，降低了后期維護(hù)費(fèi)用。最后，發(fā)電機(jī)定子繞組通過(guò)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(dòng)，更利于電網(wǎng)側(cè)的控制[3]。

和雙饋風(fēng)力機(jī)以及永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)相比較而言，永磁直驅(qū)風(fēng)力機(jī)既有優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的缺點(diǎn)是成本。因?yàn)轶w積比較大，那么它的成本就比較的高，所以缺點(diǎn)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(jī)組的使用的效率，同時(shí)，也提升了運(yùn)行的可靠性以及穩(wěn)定性。可是這種結(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(diǎn)，永磁直驅(qū)式風(fēng)力機(jī)漸漸地被國(guó)內(nèi)外的一些學(xué)者所廣泛的喜愛(ài)以及關(guān)注。

二、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)

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

永磁直流式風(fēng)力發(fā)電機(jī)的主要部件有：永磁同步發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變頻器以及傳動(dòng)機(jī)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(guò)全功率變流器，永磁同步發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相鏈接起來(lái)，保證了風(fēng)力機(jī)在變速條件下的穩(wěn)定運(yùn)行。目前，國(guó)內(nèi)永磁同步發(fā)電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)換。

以金風(fēng)水冷式自動(dòng)變換器為例，功率控制方式采用變速變槳葉控制。可變風(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(dòng)，控制葉片的俯仰角。發(fā)電機(jī)采用多極外轉(zhuǎn)子永磁同步發(fā)電機(jī)，葉輪與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直接相連。永磁外轉(zhuǎn)子，勵(lì)磁方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)勵(lì)磁損耗，它減少了傳統(tǒng)電勵(lì)磁的體積，減少了故障的可能性。無(wú)碳刷和滑環(huán)，減少維護(hù)，提高可用性。發(fā)電機(jī)為強(qiáng)制通風(fēng)冷卻系統(tǒng)，電網(wǎng)無(wú)勵(lì)磁，發(fā)電機(jī)低速運(yùn)行。機(jī)組全功率電流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用AC-DC-AC轉(zhuǎn)換方式，通過(guò)整流環(huán)節(jié)（AC/DC）將來(lái)自發(fā)電機(jī)的低頻交流電轉(zhuǎn)換為直流電，然后通過(guò)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(guò)變壓器進(jìn)入電網(wǎng)。全功率變換器適應(yīng)50Hz/60Hz電網(wǎng)，機(jī)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(dòng)液冷設(shè)計(jì)，有效提高冷卻效率。

三、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

轉(zhuǎn)速測(cè)量即發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量，它的測(cè)量含義為每分鐘葉輪/發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，單位：轉(zhuǎn)/每分鐘。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)備性能調(diào)節(jié)、機(jī)組控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、保護(hù)動(dòng)作中的一個(gè)重要特性參量，它的意義在于提高機(jī)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(yùn)行安全保護(hù)。

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量控制采用間接式和直接式測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要通過(guò)兩個(gè)不同的接近開關(guān)對(duì)發(fā)電機(jī)螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，通過(guò)螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生不同的電平脈沖，之后輸出24V的脈沖電信號(hào)到OVERSPEED模塊。當(dāng)兩個(gè)脈沖傳感器各采集一組脈沖信號(hào)送入OVERSPEED模塊時(shí)，OVERSPEED模塊將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量與內(nèi)部觸發(fā)器作對(duì)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(diǎn)，外部過(guò)速繼電器斷開，導(dǎo)致安全鏈動(dòng)作，達(dá)到葉輪過(guò)速的保護(hù)目的，OVERSPEED模塊將輸出2路脈沖信號(hào)對(duì)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(jī)乘以一個(gè)系數(shù)后轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。通過(guò)將這兩個(gè)轉(zhuǎn)速（發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速2）串入安全鏈來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組的保護(hù)，通過(guò)安全鏈的反邏輯設(shè)計(jì)，串為一條回路當(dāng)有一點(diǎn)斷開，機(jī)組會(huì)緊急停機(jī)，葉片以7度每秒的速度收槳，其特點(diǎn)獨(dú)立于機(jī)組plc控制，大大提高了機(jī)組的安全性能和可靠性。計(jì)數(shù)脈沖測(cè)量該測(cè)量方式由2個(gè)GPLUSE（脈沖電壓測(cè)速）模塊和一個(gè)GSPEED（發(fā)電機(jī)速度測(cè)量）模塊構(gòu)成。GPLUSE模塊測(cè)量出發(fā)電機(jī)電壓信號(hào)頻率 ，輸出一個(gè)脈沖列信號(hào)進(jìn)入GSPEED模塊，GSPEED模塊處理后將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速的模擬量輸送到風(fēng)機(jī)主控制系統(tǒng)，并由主控制系統(tǒng)軟件計(jì)算發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。GPLUSE模塊測(cè)量原理為：分別引入發(fā)電機(jī)的兩套三相繞組的其中一套繞組電壓到模塊，疊加信號(hào)產(chǎn)生SPEED3，送至profibuss-DP至主控PLC。

直接測(cè)量即在發(fā)電機(jī)滑環(huán)連接處安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，通過(guò)發(fā)電機(jī)帶動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到光電轉(zhuǎn)換計(jì)數(shù)。通過(guò)以上幾種方式測(cè)量的轉(zhuǎn)速，可及時(shí)調(diào)整葉片位置和電磁扭矩，達(dá)到功率控制的目的，實(shí)現(xiàn)AGC對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整體功率的調(diào)節(jié)。

對(duì)于永磁式風(fēng)力發(fā)電機(jī)，由于發(fā)電機(jī)是由永磁體勵(lì)磁的，發(fā)電機(jī)和VSC1變頻器之間可以無(wú)功的轉(zhuǎn)化，但是不需要他們進(jìn)行轉(zhuǎn)化，能夠依據(jù)實(shí)際的風(fēng)速隨時(shí)隨地地對(duì)電壓信號(hào)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(jī)的轉(zhuǎn)速。

結(jié)語(yǔ)

在改變了實(shí)際的風(fēng)速之后，再來(lái)改變風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速，這就是變速直驅(qū)永磁風(fēng)力機(jī)的控制策略。通過(guò)改變槳體來(lái)調(diào)整槳體的距離角，跟蹤風(fēng)力機(jī)的最大功率曲線，使風(fēng)力機(jī)得到最佳的風(fēng)力[7]。控制過(guò)程的關(guān)鍵是變轉(zhuǎn)子系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)機(jī)的情況，對(duì)采集到的風(fēng)速信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整，確保機(jī)組的轉(zhuǎn)速保持在額定功率附近。依據(jù)永磁發(fā)電機(jī)無(wú)功功率所存在的特點(diǎn)，為了控制好發(fā)電機(jī)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(jī)保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)，但是因?yàn)榭刂葡到y(tǒng)比較復(fù)雜，并且需要高的、可靠的發(fā)電機(jī)，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(jī)組的控制率。