甘敬松，劉炳鋒

GAN Jing-song1, LIU Bing-feng2

（1. 武漢數(shù)字工程研究所，武漢 430074；2. 華電鄭州機(jī)械設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州 450009）

0 引言

兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中電動(dòng)變槳技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)。變槳距是指大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在輪轂上的葉片借助控制技術(shù)和動(dòng)力系統(tǒng)改變槳距角的大小從而改變?nèi)~片氣動(dòng)特性，使槳葉和整機(jī)的受力狀況大為改善[1]。變槳伺服控制系統(tǒng)作為風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的外環(huán)，在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的控制中起著十分重要的作用。它控制風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的葉片節(jié)距角可以隨風(fēng)速的大小進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。在低風(fēng)速起動(dòng)時(shí)，槳葉節(jié)距可以轉(zhuǎn)到合適的角度，使風(fēng)輪具有最大的起動(dòng)力矩；當(dāng)風(fēng)速過(guò)高時(shí)，通過(guò)調(diào)整槳葉節(jié)距，改變氣流對(duì)葉片的攻角，從而改變風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得的空氣動(dòng)力轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機(jī)功率輸出保持穩(wěn)定。

變槳系統(tǒng)對(duì)三個(gè)變槳電機(jī)的速度跟隨和位置跟蹤要求極高，電機(jī)空載情況下無(wú)法準(zhǔn)確判斷變槳電控系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。本文設(shè)計(jì)了一種基于直流發(fā)電機(jī)加載方案用來(lái)檢測(cè)和評(píng)價(jià)變槳系統(tǒng)的控制效果。其能夠在三個(gè)變槳電機(jī)軸上同時(shí)加載模擬因槳葉負(fù)荷和風(fēng)力負(fù)荷而產(chǎn)生的力矩，亦可以模擬突然的暴風(fēng)環(huán)境下的負(fù)荷加載情況。在3000rpm情況下扭矩可以達(dá)到95.5Nm，1500rpm以下恒扭矩191Nm，可以滿足3MW風(fēng)機(jī)變槳系統(tǒng)額定風(fēng)況和突然暴風(fēng)環(huán)境下的模擬測(cè)試。

1 加載系統(tǒng)介紹

目前應(yīng)用較為廣泛的加載系統(tǒng)是傳統(tǒng)的水力、電渦流加載方案。水力、電渦流方案的基本原理是將被測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能由水冷卻后把熱量帶走，被測(cè)試設(shè)備發(fā)出的能量不能回收，轉(zhuǎn)換過(guò)程中亦需要耗費(fèi)能量。

直流發(fā)電機(jī)加載方案則可以把測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。加載前，先給直流電機(jī)勵(lì)磁繞組施加恒定勵(lì)磁電流，在電機(jī)氣隙中建立主磁場(chǎng)。起動(dòng)被測(cè)試變槳系統(tǒng)電機(jī)，在起動(dòng)瞬間，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，直流電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)下工作，其電磁力矩作為被測(cè)試變槳電機(jī)的阻力矩，同時(shí)通過(guò)整流逆變器給直流電機(jī)投入電樞電壓，調(diào)節(jié)電樞電壓的大小可以控制施加于被測(cè)試變槳電機(jī)的啟動(dòng)力矩大小。加載時(shí)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直流電機(jī)由反向電動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電運(yùn)行時(shí)電樞上的轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，φ為氣隙磁通，它受勵(lì)磁電流和電樞電流的影響，因而在勵(lì)磁電流不變的情況下，可以通過(guò)調(diào)節(jié)直流電機(jī)電樞電流Iα來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)與被測(cè)試變槳電機(jī)同軸旋轉(zhuǎn)，選擇直流電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，使直流電機(jī)產(chǎn)生的力矩方向與被測(cè)試變槳電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，則可實(shí)現(xiàn)對(duì)變槳電機(jī)的加載[2]。

該加載平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示，測(cè)控系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖1 加載平臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 測(cè)控系統(tǒng)框圖

該加載系統(tǒng)的主要功能與特點(diǎn)有：1）加載裝置部分——整流逆變器的性能先進(jìn)、可靠，技術(shù)水平達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；2）系統(tǒng)依靠計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)，軟件分析，使用易操作、易維護(hù)；3）加載方式為直流電機(jī)反饋加載方式，具有顯著的節(jié)能效果；4）加載特性從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性，完全符合動(dòng)力機(jī)械的負(fù)載特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變槳電機(jī)的零轉(zhuǎn)速加載，模擬變槳電機(jī)實(shí)際負(fù)荷工況；5）該系統(tǒng)不僅可以方便的實(shí)現(xiàn)雙向加載而且可以作為動(dòng)力倒拖原動(dòng)機(jī)，即作為加載設(shè)備時(shí)以恒流控制，作為原動(dòng)機(jī)時(shí)以恒速控制。

2 系統(tǒng)硬件配置

2.1 電源部分

由于每臺(tái)直流加載電機(jī)功率為30kW，三臺(tái)功率接近100kW，為防止全功率情況下對(duì)其他用電器的干擾，需考察電網(wǎng)容量，安排專門的接線柜。另外，由于系統(tǒng)中有許多的變頻整流設(shè)備，為防止對(duì)測(cè)量信號(hào)的干擾需嚴(yán)格遵循EMC走線方式和選用屏蔽電纜。

2.2 直流加載部分

圖3 軟件工作流程圖

直流加載部分包括直流電動(dòng)機(jī)、整流逆變器。根據(jù)系統(tǒng)回饋的需要選用直流機(jī)為加載主機(jī)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁完成加載設(shè)定。整流逆變器采用西門子全數(shù)字直流可逆調(diào)速裝置，既可以作為直流調(diào)速裝置為直流電機(jī)調(diào)速，又可以作為具有穩(wěn)流特性的逆變裝置，將直流電機(jī)發(fā)出的電能反饋到電網(wǎng)。

2.3 測(cè)控部分

測(cè)控部分主要包括轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、頻率檢測(cè)系統(tǒng)。采用現(xiàn)場(chǎng)總線結(jié)構(gòu)，執(zhí)行命令由工控機(jī)發(fā)出，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線傳送到整流器，由它執(zhí)行動(dòng)作。數(shù)據(jù)采集器安裝在聯(lián)軸器上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線匯總到工控機(jī)和儀表柜，從而供系統(tǒng)計(jì)算、分析、顯示及打印。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用以Windows系統(tǒng)為操作系統(tǒng)的可視化開發(fā)語(yǔ)言Delphi7.0。采用窗體式控制和友好的操作界面，對(duì)數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)采集的各種信號(hào)量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報(bào)表及擬合曲線，根據(jù)開關(guān)量輸人、輸出控制和自動(dòng)診斷試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)所有相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行啟停控制，其工作流程圖如圖3所示。

軟件在對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過(guò)程中，針對(duì)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控的關(guān)鍵量采用多線程處理，以提高試驗(yàn)精度，并在軟件界面上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示。為方便對(duì)多路數(shù)據(jù)的管理，該系統(tǒng)中利用Delphi內(nèi)嵌數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)、測(cè)定數(shù)據(jù)及處理分析數(shù)據(jù)的分層管理。為了保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行，軟件對(duì)輸入的關(guān)鍵開關(guān)量進(jìn)行實(shí)時(shí)判斷，據(jù)此調(diào)用相應(yīng)的中斷處理子程序，主界面如圖4所示。

圖4 主界面圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本加載系統(tǒng)采用直流發(fā)電機(jī)加載方式，系統(tǒng)由工控機(jī)自動(dòng)測(cè)試，通過(guò)對(duì)變槳電機(jī)電控系統(tǒng)的實(shí)際使用表明，性能先進(jìn)可靠，自動(dòng)化水平高，操作簡(jiǎn)便，易維護(hù)，節(jié)能率高。本加載系統(tǒng)的建立為變槳系統(tǒng)的開發(fā)提供了可靠的測(cè)試平臺(tái)。

[1]Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control.PhD thesis.Technical University of Denmark.1997.

[2]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.