井延偉 張慶祝 張 磊

(國(guó)電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司1，河北 保定 071051;河北工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院2，天津 300130)

0 引言

由于風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大多在偏遠(yuǎn)地區(qū)，氣候條件比較惡劣[1]，因此對(duì)風(fēng)電機(jī)組的質(zhì)量要求會(huì)比較高，這也是各個(gè)風(fēng)電機(jī)組制造廠商關(guān)注的重點(diǎn)之一。風(fēng)電機(jī)組的控制技術(shù)包括變槳、變流和并網(wǎng)等多個(gè)控制技術(shù)[2－5]，對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)是十分必要的。

文章通過(guò)搭建以1.5 MW風(fēng)電機(jī)組為基礎(chǔ)的試驗(yàn)平臺(tái)，利用TwinCAT PLC軟件(除變槳距控制系統(tǒng))對(duì)機(jī)組各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是否達(dá)到出廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。本文提出的1.5 MW風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了滿意的效果。

1 試驗(yàn)平臺(tái)的搭建

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)的測(cè)試原理和組成

試驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備有：一套拖動(dòng)系統(tǒng)、一臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)、一臺(tái)交直交變頻器、一臺(tái)變壓器和一臺(tái)減速器。圖1所示為一套風(fēng)力發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)平臺(tái)電氣傳動(dòng)裝置。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)電路原理圖Fig.1 Principle of the circuit of test bench

圖1中：Pmech為齒輪箱從風(fēng)輪葉片中轉(zhuǎn)化的機(jī)械功率;Ps為發(fā)電機(jī)的定子輸出功率，直接并入電網(wǎng);Pr為轉(zhuǎn)子輸出功率，通過(guò)變頻器功率單元并入電網(wǎng)。定子和轉(zhuǎn)子的輸出功率相加，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)的實(shí)際輸出功率。

雙饋異步發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型定子繞組的電壓方程為[6]：

三相轉(zhuǎn)子繞組電壓方程為：

式中：uk1、uk2為定子、轉(zhuǎn)子相電壓瞬時(shí)值;ik1、ik2為定子、轉(zhuǎn)子相電流瞬時(shí)值;ψk1、ψk2為定子、轉(zhuǎn)子各相繞組磁鏈;R1、R2為定子、轉(zhuǎn)子繞組等效電阻。其中，k=a、b、c。

網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型如式(3)所示[7]。

式中：Lg為網(wǎng)側(cè)濾波電感;Rg為網(wǎng)側(cè)濾波電阻;Sk為單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)(k=a、b、c);ek為逆變反電動(dòng)勢(shì)(k=a、b、c);udc為直流母線電壓。

電機(jī)饋電方式為定子繞組接電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子繞組由變頻器提供頻率、相位、幅值，實(shí)現(xiàn)恒頻輸出，還可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的幅值和相位實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有功、無(wú)功功率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。這種變速恒頻控制方案是在轉(zhuǎn)子電路中實(shí)現(xiàn)的。由于流過(guò)轉(zhuǎn)子電路的功率是由交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍所決定，轉(zhuǎn)差功率僅為額定功率的一部分，所以變頻器的成本和控制難度大大降低[8]。

基于以上特點(diǎn)，發(fā)電機(jī)可以使風(fēng)電機(jī)組在比較寬的風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，以獲取更多的電能。在高風(fēng)速下，雙饋發(fā)電機(jī)和變槳距系統(tǒng)將風(fēng)電機(jī)組的輸出功率保持在額定功率[9];在低風(fēng)速條件下，通過(guò)控制雙饋發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)和獨(dú)立變槳系統(tǒng)的槳距角調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的變速恒頻運(yùn)行。兩者的控制策略相結(jié)合，可使風(fēng)電機(jī)組的輸出功率達(dá)到最大。

在風(fēng)電機(jī)組并入電網(wǎng)之后，調(diào)整原動(dòng)機(jī)可以使發(fā)電機(jī)在任意速度下運(yùn)行，并同時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)電機(jī)組變頻器的轉(zhuǎn)矩給定和功率因數(shù)給定，實(shí)現(xiàn)任意發(fā)電量和功率因數(shù)的設(shè)置[10]。通過(guò)這種方式不僅可以模擬出風(fēng)電機(jī)組在全功率和全工況運(yùn)行的情形，而且還能夠?qū)︼L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的全部技術(shù)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證。需要說(shuō)明的是，本方案采用了交流690 V公共電網(wǎng)接入方法，使變壓器的容量大大降低。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是減少了投資成本，并且對(duì)公共電網(wǎng)的諧波污染很低，同時(shí)能夠滿足IEC 61800-3的要求。

1.2 試驗(yàn)平臺(tái)控制系統(tǒng)

1.5 MW風(fēng)電機(jī)組主控系統(tǒng)采用DCS分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念。由塔筒柜和機(jī)艙柜組成的主控系統(tǒng)分別放置在塔筒底部和機(jī)艙中，每個(gè)部分都各司其職又相互通信，共同構(gòu)成了風(fēng)電機(jī)組指揮各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的大腦。將主控制器功能分解細(xì)化后分別規(guī)定其功能，有利于系統(tǒng)的高效、實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠控制，同時(shí)也便于系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)。風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)的電氣原理如圖2所示。其中，INU為逆變單元，ISU為供電單元。

圖2 變槳雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電氣原理圖Fig.2 Electrical principle of pitch doubly-fed wind turbine

風(fēng)電機(jī)組的功能通過(guò)幾臺(tái)安裝在機(jī)艙內(nèi)的微處理器構(gòu)成的控制單元監(jiān)控。風(fēng)力機(jī)的基本制動(dòng)方法是全順槳制動(dòng)。高速軸的制動(dòng)是在緊急狀態(tài)下系統(tǒng)啟動(dòng)安裝在齒輪箱高速主軸上的緊急碟式制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)。在風(fēng)力機(jī)全工況的過(guò)程中，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)可以使葉片轉(zhuǎn)動(dòng)角度在0°～90°變化。偏航系統(tǒng)是由回轉(zhuǎn)支撐軸承、彈簧阻尼裝置和四臺(tái)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成的，偏航控制系統(tǒng)根據(jù)安裝在機(jī)艙頂部的風(fēng)向儀提供的風(fēng)向信息控制偏航系統(tǒng)轉(zhuǎn)向。

1.3 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試軟件

試驗(yàn)測(cè)試的軟件采用德國(guó)倍福電氣有限公司(BECKHOFF)推出的TwinCAT(the Windows control and automation technology)軟件。該軟件遵循IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)，支持指令表(IL)、結(jié)構(gòu)文本(ST)、梯形圖(LD)、功能塊圖(FBD)、順序流程圖(SFC)和連續(xù)功能塊圖(CFC)編程語(yǔ)言。

TwinCAT軟件可以運(yùn)行在安裝有Windows NT/2000或Windows CE的工業(yè)PC上，能夠?qū)/O接口嵌入到實(shí)時(shí)過(guò)程控制器中。軟件還嵌入了IEC 61131-3軟件或者是工作于Window NT/2000操作系統(tǒng)平臺(tái)下的NC軟件。程序和運(yùn)行系統(tǒng)可以在相同或者獨(dú)立的工業(yè)PC上運(yùn)行，例如可視化程序或辦公軟件，都可通過(guò) Microsoft的接口訪問(wèn)TwinCAT數(shù)據(jù)或執(zhí)行命令。其特點(diǎn)可以歸納為：功能強(qiáng)大、編程方便、系統(tǒng)開(kāi)放和開(kāi)發(fā)周期短，極大地提高了工作效率。

2 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

2.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

由于試驗(yàn)設(shè)備都是大功率器件，試驗(yàn)開(kāi)始前的安全檢查十分必要，這樣可以避免不必要的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡情況的發(fā)生。將設(shè)備電源切斷，檢查設(shè)備接線以及監(jiān)控附屬設(shè)備安裝與接線。各供電電源根據(jù)試驗(yàn)需要依次供電，各監(jiān)控電腦開(kāi)啟。

2.2 靜態(tài)單體設(shè)備檢測(cè)

如果塔底柜的柜體在每次試驗(yàn)中都需要更換，則相應(yīng)塔底柜內(nèi)的PLC也應(yīng)隨之更換，因?yàn)槊颗_(tái)塔底柜內(nèi)PLC的NETID地址不一致。因此，試驗(yàn)開(kāi)始前都需要將塔底柜和中控室柜內(nèi)PLC的配置文件和程序作一定的修改，以檢查和重新下載塔底柜PLC配置文件程序并檢測(cè)通信。確認(rèn)PC已經(jīng)與嵌入式PC形成網(wǎng)絡(luò)互連或直連后，打開(kāi)TwinCAT軟件的system manager下載配置文件，打開(kāi)TwinCAT PLC control源文件，點(diǎn)擊project下拉菜單中的rebuild all，點(diǎn)擊online下拉菜單中的login完成軟件下裝，再次檢查通信設(shè)備，確認(rèn)無(wú)誤后進(jìn)行試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試。

2.3 試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試

試驗(yàn)開(kāi)始前可以根據(jù)自己的需要將某些參數(shù)鎖定，有選擇地查看某些參數(shù)的變化，并設(shè)定為實(shí)時(shí)變化。鎖定參數(shù)的目的是無(wú)論切換到哪個(gè)界面，這些參數(shù)都是優(yōu)先顯示的，如需要實(shí)時(shí)觀測(cè)變流器的狀態(tài)，可以進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，在顯示窗口中就會(huì)實(shí)時(shí)顯示變流器的狀態(tài)。設(shè)備調(diào)試完成后即可逐個(gè)進(jìn)行所需試驗(yàn)。文章以發(fā)電機(jī)試驗(yàn)為例，當(dāng)發(fā)電機(jī)加速到1 100 r/min時(shí)，可進(jìn)行同步試驗(yàn)。同步試驗(yàn)在中控室風(fēng)電機(jī)組變流器監(jiān)控電腦的ABB軟件Drive window中進(jìn)行。同步試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄器波形如圖3所示。其中，曲線1為定子磁通Ф實(shí)際值與定子磁通額定值的百分比;曲線2為定子磁通Ф轉(zhuǎn)換到XY坐標(biāo)軸的假定值與定子磁通額定值的百分比;曲線3為轉(zhuǎn)子U相電流測(cè)量值與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定電流的百分比;曲線4為轉(zhuǎn)子U相和W相電流測(cè)量值轉(zhuǎn)換成XY軸表示(計(jì)算的轉(zhuǎn)子電流假定值)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器額定電流的百分比。

圖3 變流器同步波形Fig.3 Synchronous waveform of the converter

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1 100 r/min之后，Drive window的控制權(quán)關(guān)閉，在同步正常的情況下，在組態(tài)軟件風(fēng)電變流器畫面中按下“并網(wǎng)”按鈕，使變流器并網(wǎng)，觀察Drive window軟件監(jiān)控電腦顯示的波形、機(jī)艙設(shè)備及傳動(dòng)鏈的狀態(tài)。加載試驗(yàn)在中控室操作員站的組態(tài)軟件中進(jìn)行，試驗(yàn)步驟如下。

① 加載操作，“轉(zhuǎn)矩給定”對(duì)話框中輸入0～80%的值，每次按10%逐步增加，當(dāng)轉(zhuǎn)矩給定到額定值的50%時(shí)，在“無(wú)功給定”對(duì)話框中輸入5%的值繼續(xù)增加“轉(zhuǎn)矩給定”，給定值達(dá)到80%時(shí)，在“無(wú)功給定”對(duì)話框中輸入10%的值。加載到80%后運(yùn)行時(shí)間約為30～60 min。

②減載操作，在風(fēng)電變流器操作界面中，與加載相反，減載的步驟為“無(wú)功給定”的值輸入由10%改為5%輸入的“轉(zhuǎn)矩給定”值，從80%按10%遞減，當(dāng)減到50%時(shí)，再將“無(wú)功給定”的值改為0，然后繼續(xù)將“轉(zhuǎn)矩給定”值減到0。

③風(fēng)電變流器脫網(wǎng)，變流器脫網(wǎng)之后可以開(kāi)始減速。在施行減速控制中要注意避免一次性將轉(zhuǎn)速降到0，防止電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)太大，造成發(fā)電機(jī)的損傷。減速過(guò)程應(yīng)基本保持先按每次減速300～500 r/min，再按每次減速100 r/min，直到速度為0 r/min。

通過(guò)加載和減載試驗(yàn)，可以模擬出風(fēng)機(jī)的各種故障運(yùn)行狀態(tài)。在試驗(yàn)過(guò)程中，需要觀察Drive window軟件中實(shí)際轉(zhuǎn)矩值是否跟隨給定值變化，同時(shí)還需要監(jiān)測(cè)波形波動(dòng)及機(jī)艙設(shè)備和傳動(dòng)鏈有無(wú)異?，F(xiàn)象，即整機(jī)在各種故障狀態(tài)下風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變流器基本保護(hù)功能。在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中模擬全功率和全工況運(yùn)行情形依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為IEC 61400-12：1998《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組功率性能測(cè)試》、IEC 61400-1：1999《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安全要求》、IEC 61400-21：2001《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電品質(zhì)特性測(cè)試與評(píng)估》。

試驗(yàn)證明1.5 MW風(fēng)電機(jī)組試驗(yàn)平臺(tái)能夠滿足以上標(biāo)準(zhǔn)，并且對(duì)公共電網(wǎng)的諧波污染很低，同時(shí)滿足了IEC 61800-3的要求，達(dá)到了現(xiàn)行1.5 MW的風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行滿功率出廠試驗(yàn)的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

以1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)型全功率試驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，進(jìn)行了并網(wǎng)試驗(yàn)，達(dá)到了預(yù)期的效果。本方案同樣可以應(yīng)用在2 MW或2.5 MW等風(fēng)電機(jī)組開(kāi)發(fā)試驗(yàn)中。通過(guò)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、齒輪箱、變流器、控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)試驗(yàn)(除塔架、葉片、輪轂外)，完成對(duì)發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、裝配質(zhì)量的檢驗(yàn)，同時(shí)在性能試驗(yàn)中能夠考核整機(jī)安全和保護(hù)性能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題解決問(wèn)題，以保障被測(cè)機(jī)組達(dá)到出廠質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

本試驗(yàn)除檢測(cè)葉片外風(fēng)力發(fā)電機(jī)整機(jī)性能外，還可以進(jìn)行齒輪箱、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)和發(fā)展具有重要意義。

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