直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳調(diào)速控制系統(tǒng)探究

楊 彬

（中廣核新能源投資（深圳）有限公司西北分公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引 言

20世紀(jì)末，德國(guó)ENERCONGmbH公司率先研發(fā)出直驅(qū)式兼具無齒輪、變速以及變槳距等特征的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，并投入市場(chǎng)應(yīng)用。20世紀(jì)末，局限于控制技術(shù)、火力發(fā)電的低廉成本及成熟技術(shù)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用數(shù)量較少。21世紀(jì)初，隨著煤炭?jī)r(jià)格上漲和保護(hù)環(huán)境的需要，許多國(guó)家開始研究大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技術(shù)。巨型可變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、（直驅(qū)式）無齒輪同步發(fā)電機(jī)組、直驅(qū)變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、永磁式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的高壓風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、變速無齒輪永磁同步風(fēng)電機(jī)組以及直驅(qū)變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組等應(yīng)用，逐步成為風(fēng)力發(fā)電市場(chǎng)的熱門，其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組效率最高可達(dá)98%。早期多采用齒輪箱風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)從側(cè)面降低了風(fēng)力機(jī)效率，同時(shí)容易造成齒輪箱磨損，且風(fēng)力機(jī)在塔頂維修保養(yǎng)較為困難。因此，目前多采用風(fēng)力機(jī)槳葉直接驅(qū)動(dòng)低轉(zhuǎn)速（直驅(qū)式）多磁極感應(yīng)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)采用多極外轉(zhuǎn)子永磁體結(jié)構(gòu)（軸向和盤式），葉片多采用新型輕質(zhì)材料，結(jié)構(gòu)更加輕巧簡(jiǎn)單，效率更高。直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)逐步向大型應(yīng)用發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的2～7 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)已被廣泛應(yīng)用，在此展開對(duì)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳系統(tǒng)控制模型的討論[1]。

1 直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變槳特性分析

直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)沒有笨重和復(fù)雜的增速齒輪箱。發(fā)電機(jī)通過傳動(dòng)主軸直連到葉輪上，屬于變槳距調(diào)節(jié)型風(fēng)機(jī)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子依靠風(fēng)力旋轉(zhuǎn)，機(jī)組通過地面大容量全功率變流器，對(duì)頻率變化的機(jī)側(cè)交流電實(shí)現(xiàn)交-直-交整流變換，再與電網(wǎng)交流電進(jìn)行同步匹配，由并網(wǎng)進(jìn)行傳輸。直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，主要由底板、發(fā)電機(jī)、輪轂、葉片、變槳系統(tǒng)、測(cè)風(fēng)與偏航裝置以及基塔骨架等組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全性、穩(wěn)定性以及資源利用率得到了極大提升，風(fēng)機(jī)噪音控制效果極好，也很好地控制了風(fēng)機(jī)維護(hù)與日常保養(yǎng)的費(fèi)用。設(shè)備采用變速恒頻無功補(bǔ)償技術(shù)，大大延長(zhǎng)了設(shè)備使用壽命。變槳系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由控制系統(tǒng)、葉片、變槳驅(qū)動(dòng)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)輪、漲緊輪、齒形帶以及導(dǎo)流罩等構(gòu)成，如圖1所示。

發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)，葉片隨風(fēng)速變化徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。控制系統(tǒng)隨時(shí)根據(jù)風(fēng)速改變槳距角，調(diào)節(jié)氣流功角，以最佳風(fēng)速角度切入，減少風(fēng)能施加在葉片上的旋轉(zhuǎn)氣動(dòng)力，確保葉輪輸出功率不會(huì)超速（超過發(fā)電機(jī)額定功率）。

圖1 變槳系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)變槳控制設(shè)計(jì)方案

2.1 變槳距控制模式

風(fēng)力發(fā)電控制模式靈活多樣，可結(jié)合自然環(huán)境進(jìn)行多種模式切換。常采用的控制方式包括定速定槳控制（FSFP）、定速變槳控制（FSVP）、變速失速控制（VSFP）以及變速變槳控制（VSVP）等。定速定槳控制相對(duì)成熟，建造及維護(hù)費(fèi)用不高，適合普通用戶使用，但系統(tǒng)功率曲線不太理想；定速變槳控制模式葉輪處于恒速狀態(tài)，輸出功率比較穩(wěn)定；變速失速控制模式對(duì)風(fēng)速要求較高，需要在一定勻速自然風(fēng)力狀態(tài)下才能滿足最優(yōu)工作狀態(tài)，其輸出功率曲線不穩(wěn)定；變速變槳控制模式在額定風(fēng)速狀態(tài)條件下，利用閉合控制理論實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)速的匹配，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化功率輸出，風(fēng)速超過額定狀態(tài)下，系統(tǒng)采用扭矩和變槳控制器聯(lián)合控制原理，實(shí)現(xiàn)輸出功率和輸出扭矩的平衡與穩(wěn)定。總之，VSVP模式的功率曲線比較理想，如圖2所示。

直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用閉環(huán)控制，控制風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的葉片槳矩角。變速變槳矩調(diào)節(jié)控制模式下，變頻器通過電磁耦合控制發(fā)電機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)反作用力矩變化，實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的連接。風(fēng)速較大時(shí)，通過控制定槳距調(diào)節(jié)葉輪轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)恒功率輸出。變速變槳距調(diào)節(jié)控制器應(yīng)用于變速風(fēng)力機(jī)，控制器可利用變頻器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，并用槳距控制限定風(fēng)速超額定后的功率輸出[2]。系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)速條件控制最佳變槳角度，從而控制葉輪對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率滿足電動(dòng)機(jī)性能的匹配要求。

圖2 相同容量的定槳距和變槳距機(jī)組功率曲線對(duì)比

2.2 變槳控制特點(diǎn)

變槳控制系統(tǒng)葉片變槳控制柜可獨(dú)立控制，增強(qiáng)了緊急工況下的安全性，每個(gè)控制柜都配備一套由超級(jí)電容組成的備用電源。當(dāng)來自滑環(huán)的電網(wǎng)400 V AC掉電時(shí)，超級(jí)電容儲(chǔ)備的能量直接給變槳系統(tǒng)供電，使葉片以7°/s的速率從0°順槳到90°。經(jīng)實(shí)測(cè)，部分金風(fēng)風(fēng)機(jī)可以完成270°以上的葉片驅(qū)動(dòng)。變槳控制器和主控通信采用DP通信，傳輸速率為3 Mb/s。每個(gè)變槳柜都有獨(dú)立的手動(dòng)和自動(dòng)變槳設(shè)置及開關(guān)電源裝置。

2.3 變槳控制電路系統(tǒng)

變槳控制電路系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示，主要包括直流充電器NG5、變槳變頻器AC2、超級(jí)電容、電容電壓轉(zhuǎn)換模塊A10以及KL3404、KL3204、BC3150、Pt100溫度傳感器等模塊。

外部檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)裝置包括變槳電機(jī)、編碼器（旋轉(zhuǎn)型）、倍福KL5001、KL4001模塊、5°和87°接近開關(guān)以及91°限位開關(guān)等。相比傳統(tǒng)將密封鉛酸蓄電池作備用電源的變槳系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用超級(jí)電容充電，功能較為完善。

電容電壓轉(zhuǎn)換模塊A10將電容電壓（高電壓60V、低電壓30V）轉(zhuǎn)換成倍福KL3404模塊，能將檢測(cè)的低電壓送給控制中樞BC3150，并轉(zhuǎn)換AC2變頻器的心跳OK信號(hào)。總線控制器BC3150為系統(tǒng)的核心部件，內(nèi)置變槳程序，通過K-BUS總線擴(kuò)展技術(shù)，可連接多達(dá)255個(gè)總線端子，實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、系統(tǒng)通信以及控制功能。每個(gè)模塊都有自己的物理地址，3個(gè)變槳柜分別為十進(jìn)制41、42以及43。

圖3 變槳控制系統(tǒng)拓?fù)湓?/p>

系統(tǒng)接口模塊可直接連接SSI傳感器（旋轉(zhuǎn)編碼器），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉片的變槳速度和方向。編碼器電源由SSI接口提供，接口電路產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)以讀取傳感器數(shù)據(jù)，讀取的數(shù)據(jù)以bit的形式傳送到控制器的過程映像區(qū)。各種操作模式、傳輸頻率以及內(nèi)部位寬可長(zhǎng)時(shí)間保存在控制寄存器中。接近開關(guān)可無損不接觸地檢測(cè)金屬物體，通過感應(yīng)高頻交流電磁場(chǎng)和目標(biāo)體間的磁場(chǎng)變化實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，并采用殊殊的鐵氧體磁芯，使得接近開關(guān)能抵抗交流磁場(chǎng)和直流磁場(chǎng)的干擾[3]。

3 結(jié) 論

隨著環(huán)保政策趨緊和電力電子技術(shù)的成熟應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組應(yīng)用成為近些年發(fā)電市場(chǎng)的研究熱門。直驅(qū)式發(fā)電機(jī)組采用永磁、變速、恒頻以及低速傳動(dòng)技術(shù)，極大地提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性和輸出效率，降低了噪音和維護(hù)保養(yǎng)成本，大大延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命。未來，隨著超大容量機(jī)組、新型變頻調(diào)速控制以及電力通信等技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用將更加廣泛。