基于液力變矩的直耦型同步風力發電機應用分析

王軍偉

（蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州730050）

基于液力變矩的直耦型同步風力發電機應用分析

王軍偉

（蘭州電機股份有限公司，甘肅蘭州730050）

摘要：液力變矩直耦型同步風力發電機組，基于Windive液力變矩器柔性調速控制策略，將變化的風輪機輸出轉速轉換為恒定的發電機輸入轉速，使三相同步發電機獲得穩定的同步轉速，實現與電網的直接耦合。同步發電機采用電勵磁方式，通過改變勵磁電流來調節發電機的無功輸出，根據電網需求提供無功支撐。消除了傳統變流器耦合并網對電網造成的諧波污染，提高了電能質量品質以及無功平衡調節能力。

關鍵詞：液力變矩；同步；直接耦合；風力發電機組

1　引言

近年來，國內風力發電行業迅速發展，2008年以來，各發電企業競相投入風電系統，將風電投資建設推向高潮。但就國內市場而言，主流機型主要有兩種：雙饋型風力發電機組和直驅型風力發電機組。無論是變速恒頻雙饋異步風力發電機組，還是直驅型風力發電機組，都不能與電網直耦并網，需要變流器耦合并網輸送電能。

液力變矩恒速三相同步電勵磁直耦型風力發電機組，是基于德國某公司WinDrive液力變矩器的新型機組，控制上采用WinDrive WCU控制器柔性調速控制策略，將風輪轉速變化的轉矩轉化成輸出轉速恒定的轉矩傳遞給與其同軸連接的發電機，實現同期并網發電。該機組也具備無功功率調節能力，可以滿足電網的無功平衡。與傳統風力發電機組相比，該機組的優點在于取消了變流器耦合，風場也可以不配置SVG無功補償裝置，提高了上網點的電能質量品質，減小對電網的諧波污染。

2　機組的基本組成及原理

2．1機組傳動系統的基本組成

液力變矩直耦型同步風力發電機組由風輪變槳系統、增速齒輪箱、Windrive液力變矩器、三相無刷電勵磁同步發電機4大部分組成。機組基本結構如圖1所示。

圖1　結構示意圖

2．2風機的基本技術參數

機組：額定容量2000kW、切入風速4．5m／s、額定風速12m／s；

風輪變槳系統：風輪直徑93m、額定轉速16．35rpm；增速齒輪箱：傳動比1：28．44；

Windrive液力耦合器：輸入轉速范圍373rpm－483rpm、輸出轉速1500rpm；

同步發電機定：容量2222kVA、額定電壓690V、頻率50Hz、功率因數±0．9、4極、額定轉速1500rpm，自動電壓調節器選用UNITROL1020。

2．3機組的基本原理

風輪系統根據實時風速最大限度的捕獲風能，并將風能轉換成旋轉機械能傳遞給增速齒輪箱。由于風速的實時變化使風輪的轉速隨之變化，相應的增速齒輪箱的輸出轉速也隨之變化，正常情況下輸出轉速在373rpm－483rpm范圍內變化。這就需要Windrive液力變矩系統來完成恒速控制，輸出穩定的同步轉速驅動發電機實現同期并網。其基本控制原理如圖2所示。

圖2　機組的控制原理簡圖

圖3　 Windrive液力變矩器控制系統框圖

當風機控制系統檢測風速達到切入風速時，首先將信息發送給變槳系統，變槳系統接收到開機指令后調節槳距角β啟動風機并實時檢測風輪轉速。Windrive控制單元WCU啟動“Synchronisation”模式，根據風輪轉速調節液力變矩器輸出轉速，同時UNITROL1020勵磁調節器AVR啟動“Sync”模式投入勵磁，檢測發電機的電壓頻率，檢測值與網側頻率值運算得出頻差Fbias信號，并將頻差發送給Windrive控制單元WCU，WCU根據頻差Fbias反饋調節液力變矩器的輸出轉速，使發電機轉速接近同步轉速（高于同步轉速）。當AVR檢測到頻差Fbias在－0．4Hz至0Hz范圍內時，檢測其它同期條件符合設定要求后發送并網指令。

風機并網完成后，AVR隨之轉入功率因數模式，根據功率因數設定調節無功輸出。WCU轉入“Grid Operation”模式，跟蹤檢測發電機實時有功，根據預定風功率曲線調節有功輸出，使風輪轉速始終處于對應最大功率的捕獲點附近，以便風機最大限度的捕獲風能。

風機的風輪變槳系統、增速齒輪箱基本原理與傳統機型基本相似，下面僅對Windrive液力變矩系統的控制原理及策略做簡單介紹。

Windrive液力變矩器由兩級行星齒輪增速機構、導葉可調式液力變矩機構和Windrive控制器WCU3部分組成。

由于風速的實時變化風輪機轉速隨之變化，Windrive控制單元WCU根據風輪轉速傳感器檢測的轉速信號，與液力變矩器的輸出轉速進行運算，其結果再與給定值相比較，偏差值經模糊PID控制器柔性環節處理、放大后驅動電動執行元件，調節導葉機構的開度改變渦輪轉速，使液力變矩器的輸出轉速達到恒定，從而保證與其同軸連接的同步發電機獲得恒定不變的輸入轉速。在轉速恒定工況下，調節后的渦輪轉速再與期望值相比較，用這個偏差計算電動執行元件伺服電機的轉角信號Ф，通過不斷的修正導葉開度來調節液力變矩器的轉矩輸出，使風輪轉速始終處于對應于捕獲風功率的最佳點附近，以最大限度的捕獲風能。變矩器控制系統如圖3所示，控制策略如圖4所示。

圖4 Windrive控制策略圖

表1　風機功率特性計算與試驗數據對比

3　機組的基本性能

3．1風機的功率曲線測定

根據風力機基本理論，風輪吸收功率為：

其中：P為實際獲得的輸出功率，kW；ρ為空氣密度，kg／m3，標準空氣密度一般取1．225kg／m3；A為風力機的掃掠面積，m2；Cp為風能利用系數；v為風速，m／s。

葉尖速比λ為：

其中：v為風速，m／s；n為風輪轉速，r／min；R為風輪轉動半徑，m；

液力變矩直耦型同步風力發電機組的功率特性曲線經風場現場實地測試，數據如表1所示。

分析表明：在低風速區4．5m／s以下，基于Windrive液力變距器的風機并不能注重有功輸出，4．5m／s－5．5m／s范圍內風機的發出有功功率相對較低，10m／s以上風機發出的有功功率效率逐漸趨于最高。

低風速時，風輪理論計算功率小于實測功率，當風速大于10m／s時，風輪理論計算功率大于實測功率，這說明風能利用系數Cp理論取值與實際之間存在差異。在4．5m／s－11．5m／s運行區內，并不是每個風速點風能都能獲得最大限度的利用，由于風能利用系數Cp與尖速比λ和槳矩角β有關，一般情況下，在接近β＝0°、λ＝6及β＝2°、λ＝7時風能利用系數Cp基本上接近最大。液力變矩直耦型同步風力發電機組在10m／s－11．5m／s區間尖速比基本也趨近這一最佳值，由此可見，該機型在10m／s以上其風能的可利用效率達到最高。

從風輪實測功率與發電機輸出電功率數據比較可以看出，隨發電功率升高風機傳動鏈各組成部件及發電機的損耗、附加損耗也隨之增加，這部分損耗主要轉化成熱能形式損失了。總體來說，機組功率在設計風速11．5m／s時，發電功率達到額定功率，各項性能指標滿足設計要求。

3．2機組的無功調節特性

無功平衡能力是風機的一個重要性能指標之一。其它傳統機型無功調節能力因受到變流器額定容量及發電機額定容量的限制，額定功率因數的取值一般為0．95，其無功容量非常有限。對于液力變矩直耦型同步風力發電機組，由于取消了變流器采用同步風力發電機直接并網輸送電能，機組除了在額定無功容量范圍內調節無功外，還具備與水、火電機組相同的無功調相能力。

按電機理論，同步發電機改變功率因數調相運行的容許范圍受到P－Q特性曲線限制，其可發視在功率要小于電機額定視在功率。在遲相運行方式（過勵）下，降低功率因數cosφ＜0．9運行時，為了讓發電機多發出無功功率，轉子勵磁電流增加必須受到額定值的限制；提高功率因數cosφ＞0．9時，發出的有功功率受到風力機的額定功率限制，這時定子和轉子電流均得不到充分利用。在進相運行方式（欠勵）下，當發電機的勵磁電流降低時，電磁轉矩隨之下降，如果輸入機械轉矩保持不變，機械轉矩與電磁轉矩平衡關系將被破壞，發電機轉子必然加速使電磁功角δ增大，隨著功角的增大電磁轉矩也相應增加，機械轉矩與電磁轉矩會重新建立新的平衡，但其造成的結果是功角δ逐漸增大了。在某一恒定有功功率下，如果繼續降低勵磁吸收無功功率，而不減小有功功率，功角δ增大必將使電磁轉矩越過靜態穩定極限點，轉矩失去平衡引起發電機失步。所以在減小勵磁電流吸收無功功率的同時有功功率也要適當減小。

表2　 690V cosφ＝0時無功功率曲線

表3　 725V cosφ＝0時無功功率曲線

鑒于此情況，發電機調相運行工作點必須在P－Q特性曲線范圍內調節，有必要對液力變矩直耦型同步風力發電機組發電機的無功功率極限邊界進行測定。表2、表3所示數據是發電機在有功功率為零（cosφ＝0）、1．0Ue及1．05Ue電壓下，發電機進相及遲相運行的無功調節特性。

數據表明，液力變矩直耦型同步風力發電機1．0Ue電壓下進相運行吸收無功調節范圍為－908．5kVar至0 kVar，遲相運行發出無功調節范圍為0kVar－2022．1kVar；1．05Ue電壓下進相運行吸收無功調節范圍為－1066．6kVar至0 kVar，遲相運行發出無功調節范圍為0kVar－1997．0kVar。試驗表明該機型有較寬的無功調節范圍，能夠提供較大的無功功率，具備電網無功支撐能力。

3．3發電機的電能質量分析

為了滿足電網電能質量要求，液力變矩直耦型同步風力發電機組的同步發電機做了相應的特殊設計。發電機采用正旋波氣隙，這樣發電機形成的氣隙磁場就更加接近于正旋波，定子繞組采用分布短距形式，這些措施對消除發電機的諧波因素都是有利的。另外，由于發電機采用直耦并網，也不存在變流器的諧波影響。經測試TFFW2000－4發電機的總諧波畸變因數為0．5%，滿足GB755－2008《旋轉電機定額和性能》標準中諧波畸變因數小于5%要求。表4所示數據是發電機電壓波形50次以下諧波因數的測試數據（未列入各次諧波值均為0）。

表4　 TFFW2000－4諧波畸變因數含量

4　結束語

液力變矩直耦型同步風力發電機組樣機在某風場投入運行30個月以來，已經累計運行11223小時，發出總有功電量9789．86MWh，總無功電量1341．18MVarh。運行中通過不斷地參數修正、優化處理，使機組的各項參數匹配均已達到最佳狀態，目前機組運行穩定，故障率較低，電能質量好。經過對樣機的運行實踐，積累了充分的經驗，為該機型今后進一步推向市場奠定了很好的基礎，同時也為風電能源向清潔型、友好型發展提供了一種新的理念。

參考文獻：

［1］姚興佳，宋俊．風力發電機組原理及應用［M］．北京：機械工業出版社，2011．

［2］周雙喜，魯宗相．風力發電與電力系統［M］．北京：中國電力出版社，2011．

［3］風能評價及風電規劃與并網［M］．北京：中國環境科學出版社，2012．

中圖分類號：TM315

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）03—0017—04

作者簡介：王軍偉（1970－），男，甘肅寧縣人，蘭州電機股份有限公司電氣工程師，長期從事電機與控制理論的研究，電機、風電機組的電氣試驗、安裝調試等工程實踐工作。

收稿日期：2015－03－06

Application analysis of hydraulic torque converter directly－coupling synchronous generator

WANG Jun－wei
（Lanzhou Electric Motor Co．，Ltd．，Lanzhou 730050，China）

Abstract：The hydraulic torque converter directly－coupling synchronous generator set is based on flexible speed regulating strategy of hydraulic torque converter，which can convert a variable output speed of wind turbine into constant speed，make three－phase synchronous generator keep constant speed to achieve directly－coupling with grid．The synchronous generator applies electric exciting mode，which can adjust reactive power output of the generator by changing exciting current and provide reactive power support by the requirements of the grid．The harmonic interference to grid resulted from traditional current converter can be eliminated．Therefore，the electricity quality and reactive power balance ability are greatly improved．

Key words：hydraulic torque converter；synchronization；directly－coupling；wind generating set