永磁直驅風力發電機背靠背對拖試驗系統及其應用

羅文哲

摘要：風能是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質的熱能利用形式。風力發電是一種可再生的清潔能源，符合能源技術發展趨勢，得到世界上絕大多數國家的扶持，發展迅猛。風力發電機組是將風能轉換為機械能驅動發電機發電，最終輸出交流電的電力設備，可單機直接供給用電設備，也可并網輸送到用電集中地區。

1 前言

風力發電機組的最新型技術是變槳調速，有雙饋型和直驅型兩種機型，直驅機組因其優勢明顯，在海上大功率風力發電中占據主導地位。永磁直驅風力發電機因其轉速低、體積大、造價高等特點，在制造廠的試驗測試與常規發電機不同，本文詳細介紹其試驗原理、試驗系統及其應用。

2 直驅型風力發電機組工作原理及優勢

直驅型風力發電機組由葉輪直接驅動永磁直驅風力發電機（系統圖見圖1），具有以下獨特優勢：

（1）直接驅動，系統組成設備少，可靠性高，運行維護成本低;

（3）無齒輪箱，提高了效率，降低了噪音;

（4）無稀油潤滑，無漏油隱患，清潔環保;

（5）全功率變流器完全將機組和電網隔離，可實現對電網有功、無功的靈活控制，并且易實現低電壓穿越，保障電力安全。

3 試驗原理

永磁直驅風力發電機試驗按照機電設備和GB/T25389.1、GB/T25389.1、NB/T31012等永磁風力發電機標準中型式試驗、出廠試驗的試驗項目和試驗方法進行。

永磁直驅發電機轉速低、體積大、造價高，無法像常規發電機那樣，用已試驗合格的專門測試機和變流器固定在試驗臺上，對新制造的待測試發電機進行全功率試驗。基于此，提出了背靠背對拖試驗方法，其原理是使用兩臺新制造的待測試發電機產品，配套產品變流器，互相作為測試機和被試機，完成試驗項目。

根據這一試驗原理，試驗站只需配備：

（1）試驗平臺、監測儀器和分析系統;

（2）必要的模擬風場條件的設備;

（3）具有并網功能的電控設備;

（4）連接電纜。

4 背靠背對拖試驗系統

背靠背對拖試驗一次電氣系統圖如圖2，本試驗系統適用于1.5MW～6MW、輸入電壓為690V、永磁直驅風力發電機的出廠試驗和型式試驗。試驗站高壓系統母線由專門的1000kVA、690V變壓器供電，低壓系統由廠用電提供。

本試驗系統實現了產品試驗節能要求，設計有電力回饋電路：兩路總授電其中一路接入高壓母線，為相應等級高壓變流器供電，經能量轉換后反饋會高壓母線，實現產品滿負荷試驗的能量回饋節能要求。試驗開始時，DHG柜開關斷開，以電動機狀態運行的電機拖動以發電機狀態運行的電機運行，滿足并網條件后，合DHG柜開關，發電機能量回饋到高壓母線，達到節能目的。

對被試產品，設輸入輸出測量柜。電壓測量采用LEM LV100-3500/SP2電壓傳感器，精度為±0.9%;電流測量采用LEM LT4000-S/SP24電流傳感器，精度為±0.3%。

計算機輔助試驗系統完成試驗設備監控、軟操作及被試產品試驗數據采集和數據處理。

本試驗系統在建設時，電機和變流器使用被試產品，大幅度節省了投資成本。在試驗中，兩臺電機互為被試產品，分別以電動狀態和發電狀態運行，對應設置變流器的相應參數即可，切換方便。

5 試驗過程

5.1 設備固定與變流器水冷管路連接

（1）電機對組選用膠套聯軸器軟連接，見圖3，圖中右側的風機模擬風場工況。一臺發電機固定好，調整另一臺發電機，要求兩臺發電機同軸，半聯軸器端面之間的距離為50mm。先進行單機平穩運行測試，測試合格后連接聯軸器，進行帶載測試。

（2）水冷系統管路以水冷控制柜為中心，去變流器一個回路，去散熱器一個回路，兩個回路之間有三通閥調節冷卻液流量大小。散熱器的3個冷卻風扇根據溫度設定值輪流啟動工作;當冷卻液溫度降到下限設定值時，風扇停機。水冷控制柜的4個管路接口為卡箍式，變流器、散熱器各2個管路接口為法蘭式。

（3）水冷系統的冷卻液須符合變流器廠家提供的技術要求，可用純凈水添加防銹劑、乙二醇（寒冷地區）來配置。流量計安裝在變流器進水管路中，安裝點兩端各有至少500mm平直管。管路中初次加注冷卻液會產生氣泡，氣泡在壓力的作用下可由管路最高處的自動排氣閥門排出。

5.2 電氣連接

（1）按照電氣接線圖及電氣接線規范連接發電機、變流器與變壓器之間的動力電纜，相序要正確，標識要清楚。電纜全部走電纜溝，動力電纜和信號電纜分開鋪設。濾波器、低電壓穿越模塊運行時發熱較大，半米范圍內不應有其他設備。

（2）變流器與低電壓穿越模塊之間的接線、濾波器與發電機之間的接線按接線圖正確連接。濾波器前端安裝熔斷器，熔斷器前端并接在發電機主電纜上。低電壓穿越模塊連接在變流器過壓保護模塊下端的U、V、W連接排上，“+”接在變流器直流母排“+”上。為便于試驗操作，將變流器端子上的startenable、emergencystop、resent用機械開關引出。

（3）水冷控制柜中的循環泵電機電源為AC380V，用4mm2電纜;控制部分電源為AC220V，用1mm2屏蔽電纜。

（4）所有電氣設備外殼、電纜屏蔽層可靠接地，安全接地、工作接地和電磁干擾接地必須分開單獨連接。

（5）電氣接線時，螺母使用力矩扳手按照手冊給定的螺栓擰緊力矩值緊固，確保接觸良好。

5.3 試驗過程

（1）準備工作

試驗人員提前熟悉試驗大綱內容，試驗目標明確，掌握試驗操作要領;測試計量儀器儀表已經過校準，量程適當，顯示準確，精度滿足要求。

（2）試驗測試

試驗項目和方法按照國家標準和試驗大綱。其中，重點項目是單機平穩運行試驗、聯機后的負載試驗、溫升試驗、并網試驗。

（3）記錄數據

根據試驗大綱和試驗目標要求，在數據記錄表格上記錄-原始試驗數據。數據要求真實、準確，且同一組數據同步采集。

（4）編制試驗報告

試驗報告項目和內容根據國家標準或者企業標準確定，出廠試驗、型式試驗以及專項試驗分別按照標準的試驗報告模板編制。

5.4 總結

在試驗過程中，由于準備工作不充分，或者是單機測試項目遺漏，給聯機帶載測試帶來許多障礙，總結如下：

（1）試驗項目和方法嚴格按照國家標準或企業標準，試驗過程嚴格按照試驗大綱。專項試驗方案須反復斟酌，從原理到實操進行論證，不能用嘗試性的試驗方法進行試驗。

（2）試驗前須測試電機冷態絕緣電阻，與設計值比較是否有變化;必要時可根據JB/T 5811-2007 第 12 項“電機應能重復工頻耐壓試驗和沖擊耐受電壓試驗”，重復做一次沖擊耐受電壓試驗;若電機放置時間過長，應進行烘干處理，絕緣電阻值不低于500MΩ。

（3）變流器在連接到電機前須復測輸出頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、波形畸變（諧波）、du/dt等。

（4）水冷系統的進出口水壓和溫度須符合技術文件要求，管路無泄露，壓力能保持。

（5）變流器與電機配合進行單機平穩性試驗時，監測電機繞組和軸承溫度變化，用示波器記錄拖動變流器輸出側電壓電流。

（6）單機運行時，變頻器參數設置正確，電機狀態參數顯示正常，方可對組測試聯機試驗項目。

6 結語

提出了永磁直驅風力發電機系統的功率控制策略.對該系統進行背靠背對拖試驗.結果表明，仿真結果與試驗波形一致，驗證了該功率控制策略可有效控制輸入到電網的有功功率和無功功率，能充分利用風能.

參考文獻：

[1]王剛毅，肖強暉，朱廣輝，鄧琛，向述平，&張陳虎.（2013）.永磁直驅風力發電機功率控制的研究.湖南工業大學學報，27（4），61-65.

[2]宋子龍.基于LabVIEW的背靠背電機牽引試驗平臺設計. Diss.南京理工大學，2010.