王軍偉

（蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州730050）

基于液力變矩的直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)應(yīng)用分析

王軍偉

（蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅蘭州730050）

摘要：液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，基于Windive液力變矩器柔性調(diào)速控制策略，將變化的風(fēng)輪機(jī)輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為恒定的發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速，使三相同步發(fā)電機(jī)獲得穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的直接耦合。同步發(fā)電機(jī)采用電勵磁方式，通過改變勵磁電流來調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的無功輸出，根據(jù)電網(wǎng)需求提供無功支撐。消除了傳統(tǒng)變流器耦合并網(wǎng)對電網(wǎng)造成的諧波污染，提高了電能質(zhì)量品質(zhì)以及無功平衡調(diào)節(jié)能力。

關(guān)鍵詞：液力變矩；同步；直接耦合；風(fēng)力發(fā)電機(jī)組

1　引言

近年來，國內(nèi)風(fēng)力發(fā)電行業(yè)迅速發(fā)展，2008年以來，各發(fā)電企業(yè)競相投入風(fēng)電系統(tǒng)，將風(fēng)電投資建設(shè)推向高潮。但就國內(nèi)市場而言，主流機(jī)型主要有兩種：雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。無論是變速恒頻雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，還是直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，都不能與電網(wǎng)直耦并網(wǎng)，需要變流器耦合并網(wǎng)輸送電能。

液力變矩恒速三相同步電勵磁直耦型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，是基于德國某公司W(wǎng)inDrive液力變矩器的新型機(jī)組，控制上采用WinDrive WCU控制器柔性調(diào)速控制策略，將風(fēng)輪轉(zhuǎn)速變化的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化成輸出轉(zhuǎn)速恒定的轉(zhuǎn)矩傳遞給與其同軸連接的發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)發(fā)電。該機(jī)組也具備無功功率調(diào)節(jié)能力，可以滿足電網(wǎng)的無功平衡。與傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組相比，該機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)在于取消了變流器耦合，風(fēng)場也可以不配置SVG無功補(bǔ)償裝置，提高了上網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量品質(zhì)，減小對電網(wǎng)的諧波污染。

2　機(jī)組的基本組成及原理

2．1機(jī)組傳動系統(tǒng)的基本組成

液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪變槳系統(tǒng)、增速齒輪箱、Windrive液力變矩器、三相無刷電勵磁同步發(fā)電機(jī)4大部分組成。機(jī)組基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　結(jié)構(gòu)示意圖

2．2風(fēng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

機(jī)組：額定容量2000kW、切入風(fēng)速4．5m／s、額定風(fēng)速12m／s；

風(fēng)輪變槳系統(tǒng)：風(fēng)輪直徑93m、額定轉(zhuǎn)速16．35rpm；增速齒輪箱：傳動比1：28．44；

Windrive液力耦合器：輸入轉(zhuǎn)速范圍373rpm－483rpm、輸出轉(zhuǎn)速1500rpm；

同步發(fā)電機(jī)定：容量2222kVA、額定電壓690V、頻率50Hz、功率因數(shù)±0．9、4極、額定轉(zhuǎn)速1500rpm，自動電壓調(diào)節(jié)器選用UNITROL1020。

2．3機(jī)組的基本原理

風(fēng)輪系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時風(fēng)速最大限度的捕獲風(fēng)能，并將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)機(jī)械能傳遞給增速齒輪箱。由于風(fēng)速的實(shí)時變化使風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨之變化，相應(yīng)的增速齒輪箱的輸出轉(zhuǎn)速也隨之變化，正常情況下輸出轉(zhuǎn)速在373rpm－483rpm范圍內(nèi)變化。這就需要Windrive液力變矩系統(tǒng)來完成恒速控制，輸出穩(wěn)定的同步轉(zhuǎn)速驅(qū)動發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)同期并網(wǎng)。其基本控制原理如圖2所示。

圖2　機(jī)組的控制原理簡圖

圖3　 Windrive液力變矩器控制系統(tǒng)框圖

當(dāng)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)檢測風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時，首先將信息發(fā)送給變槳系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)接收到開機(jī)指令后調(diào)節(jié)槳距角β啟動風(fēng)機(jī)并實(shí)時檢測風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。Windrive控制單元WCU啟動“Synchronisation”模式，根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)液力變矩器輸出轉(zhuǎn)速，同時UNITROL1020勵磁調(diào)節(jié)器AVR啟動“Sync”模式投入勵磁，檢測發(fā)電機(jī)的電壓頻率，檢測值與網(wǎng)側(cè)頻率值運(yùn)算得出頻差Fbias信號，并將頻差發(fā)送給Windrive控制單元WCU，WCU根據(jù)頻差Fbias反饋調(diào)節(jié)液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速（高于同步轉(zhuǎn)速）。當(dāng)AVR檢測到頻差Fbias在－0．4Hz至0Hz范圍內(nèi)時，檢測其它同期條件符合設(shè)定要求后發(fā)送并網(wǎng)指令。

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)完成后，AVR隨之轉(zhuǎn)入功率因數(shù)模式，根據(jù)功率因數(shù)設(shè)定調(diào)節(jié)無功輸出。WCU轉(zhuǎn)入“Grid Operation”模式，跟蹤檢測發(fā)電機(jī)實(shí)時有功，根據(jù)預(yù)定風(fēng)功率曲線調(diào)節(jié)有功輸出，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速始終處于對應(yīng)最大功率的捕獲點(diǎn)附近，以便風(fēng)機(jī)最大限度的捕獲風(fēng)能。

風(fēng)機(jī)的風(fēng)輪變槳系統(tǒng)、增速齒輪箱基本原理與傳統(tǒng)機(jī)型基本相似，下面僅對Windrive液力變矩系統(tǒng)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(jī)構(gòu)、導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩機(jī)構(gòu)和Windrive控制器WCU3部分組成。

由于風(fēng)速的實(shí)時變化風(fēng)輪機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化，Windrive控制單元WCU根據(jù)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速傳感器檢測的轉(zhuǎn)速信號，與液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)算，其結(jié)果再與給定值相比較，偏差值經(jīng)模糊PID控制器柔性環(huán)節(jié)處理、放大后驅(qū)動電動執(zhí)行元件，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)的開度改變渦輪轉(zhuǎn)速，使液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定，從而保證與其同軸連接的同步發(fā)電機(jī)獲得恒定不變的輸入轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)速恒定工況下，調(diào)節(jié)后的渦輪轉(zhuǎn)速再與期望值相比較，用這個偏差計(jì)算電動執(zhí)行元件伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)角信號Ф，通過不斷的修正導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)液力變矩器的轉(zhuǎn)矩輸出，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速始終處于對應(yīng)于捕獲風(fēng)功率的最佳點(diǎn)附近，以最大限度的捕獲風(fēng)能。變矩器控制系統(tǒng)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(fēng)機(jī)功率特性計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

3　機(jī)組的基本性能

3．1風(fēng)機(jī)的功率曲線測定

根據(jù)風(fēng)力機(jī)基本理論，風(fēng)輪吸收功率為：

其中：P為實(shí)際獲得的輸出功率，kW；ρ為空氣密度，kg／m3，標(biāo)準(zhǔn)空氣密度一般取1．225kg／m3；A為風(fēng)力機(jī)的掃掠面積，m2；Cp為風(fēng)能利用系數(shù)；v為風(fēng)速，m／s。

葉尖速比λ為：

其中：v為風(fēng)速，m／s；n為風(fēng)輪轉(zhuǎn)速，r／min；R為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動半徑，m；

液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率特性曲線經(jīng)風(fēng)場現(xiàn)場實(shí)地測試，數(shù)據(jù)如表1所示。

分析表明：在低風(fēng)速區(qū)4．5m／s以下，基于Windrive液力變距器的風(fēng)機(jī)并不能注重有功輸出，4．5m／s－5．5m／s范圍內(nèi)風(fēng)機(jī)的發(fā)出有功功率相對較低，10m／s以上風(fēng)機(jī)發(fā)出的有功功率效率逐漸趨于最高。

低風(fēng)速時，風(fēng)輪理論計(jì)算功率小于實(shí)測功率，當(dāng)風(fēng)速大于10m／s時，風(fēng)輪理論計(jì)算功率大于實(shí)測功率，這說明風(fēng)能利用系數(shù)Cp理論取值與實(shí)際之間存在差異。在4．5m／s－11．5m／s運(yùn)行區(qū)內(nèi)，并不是每個風(fēng)速點(diǎn)風(fēng)能都能獲得最大限度的利用，由于風(fēng)能利用系數(shù)Cp與尖速比λ和槳矩角β有關(guān)，一般情況下，在接近β＝0°、λ＝6及β＝2°、λ＝7時風(fēng)能利用系數(shù)Cp基本上接近最大。液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在10m／s－11．5m／s區(qū)間尖速比基本也趨近這一最佳值，由此可見，該機(jī)型在10m／s以上其風(fēng)能的可利用效率達(dá)到最高。

從風(fēng)輪實(shí)測功率與發(fā)電機(jī)輸出電功率數(shù)據(jù)比較可以看出，隨發(fā)電功率升高風(fēng)機(jī)傳動鏈各組成部件及發(fā)電機(jī)的損耗、附加損耗也隨之增加，這部分損耗主要轉(zhuǎn)化成熱能形式損失了?？傮w來說，機(jī)組功率在設(shè)計(jì)風(fēng)速11．5m／s時，發(fā)電功率達(dá)到額定功率，各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

3．2機(jī)組的無功調(diào)節(jié)特性

無功平衡能力是風(fēng)機(jī)的一個重要性能指標(biāo)之一。其它傳統(tǒng)機(jī)型無功調(diào)節(jié)能力因受到變流器額定容量及發(fā)電機(jī)額定容量的限制，額定功率因數(shù)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(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于取消了變流器采用同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)直接并網(wǎng)輸送電能，機(jī)組除了在額定無功容量范圍內(nèi)調(diào)節(jié)無功外，還具備與水、火電機(jī)組相同的無功調(diào)相能力。

按電機(jī)理論，同步發(fā)電機(jī)改變功率因數(shù)調(diào)相運(yùn)行的容許范圍受到P－Q特性曲線限制，其可發(fā)視在功率要小于電機(jī)額定視在功率。在遲相運(yùn)行方式（過勵）下，降低功率因數(shù)cosφ＜0．9運(yùn)行時，為了讓發(fā)電機(jī)多發(fā)出無功功率，轉(zhuǎn)子勵磁電流增加必須受到額定值的限制；提高功率因數(shù)cosφ＞0．9時，發(fā)出的有功功率受到風(fēng)力機(jī)的額定功率限制，這時定子和轉(zhuǎn)子電流均得不到充分利用。在進(jìn)相運(yùn)行方式（欠勵）下，當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵磁電流降低時，電磁轉(zhuǎn)矩隨之下降，如果輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩保持不變，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系將被破壞，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子必然加速使電磁功角δ增大，隨著功角的增大電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增加，機(jī)械轉(zhuǎn)矩與電磁轉(zhuǎn)矩會重新建立新的平衡，但其造成的結(jié)果是功角δ逐漸增大了。在某一恒定有功功率下，如果繼續(xù)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(zhuǎn)矩越過靜態(tài)穩(wěn)定極限點(diǎn)，轉(zhuǎn)矩失去平衡引起發(fā)電機(jī)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(dāng)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(fā)電機(jī)調(diào)相運(yùn)行工作點(diǎn)必須在P－Q特性曲線范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，有必要對液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)的無功功率極限邊界進(jìn)行測定。表2、表3所示數(shù)據(jù)是發(fā)電機(jī)在有功功率為零（cosφ＝0）、1．0Ue及1．05Ue電壓下，發(fā)電機(jī)進(jìn)相及遲相運(yùn)行的無功調(diào)節(jié)特性。

數(shù)據(jù)表明，液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)1．0Ue電壓下進(jìn)相運(yùn)行吸收無功調(diào)節(jié)范圍為－908．5kVar至0 kVar，遲相運(yùn)行發(fā)出無功調(diào)節(jié)范圍為0kVar－2022．1kVar；1．05Ue電壓下進(jìn)相運(yùn)行吸收無功調(diào)節(jié)范圍為－1066．6kVar至0 kVar，遲相運(yùn)行發(fā)出無功調(diào)節(jié)范圍為0kVar－1997．0kVar。試驗(yàn)表明該機(jī)型有較寬的無功調(diào)節(jié)范圍，能夠提供較大的無功功率，具備電網(wǎng)無功支撐能力。

3．3發(fā)電機(jī)的電能質(zhì)量分析

為了滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量要求，液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的同步發(fā)電機(jī)做了相應(yīng)的特殊設(shè)計(jì)。發(fā)電機(jī)采用正旋波氣隙，這樣發(fā)電機(jī)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(fā)電機(jī)的諧波因素都是有利的。另外，由于發(fā)電機(jī)采用直耦并網(wǎng)，也不存在變流器的諧波影響。經(jīng)測試TFFW2000－4發(fā)電機(jī)的總諧波畸變因數(shù)為0．5%，滿足GB755－2008《旋轉(zhuǎn)電機(jī)定額和性能》標(biāo)準(zhǔn)中諧波畸變因數(shù)小于5%要求。表4所示數(shù)據(jù)是發(fā)電機(jī)電壓波形50次以下諧波因數(shù)的測試數(shù)據(jù)（未列入各次諧波值均為0）。

表4　 TFFW2000－4諧波畸變因數(shù)含量

4　結(jié)束語

液力變矩直耦型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組樣機(jī)在某風(fēng)場投入運(yùn)行30個月以來，已經(jīng)累計(jì)運(yùn)行11223小時，發(fā)出總有功電量9789．86MWh，總無功電量1341．18MVarh。運(yùn)行中通過不斷地參數(shù)修正、優(yōu)化處理，使機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)匹配均已達(dá)到最佳狀態(tài)，目前機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，故障率較低，電能質(zhì)量好。經(jīng)過對樣機(jī)的運(yùn)行實(shí)踐，積累了充分的經(jīng)驗(yàn)，為該機(jī)型今后進(jìn)一步推向市場奠定了很好的基礎(chǔ)，同時也為風(fēng)電能源向清潔型、友好型發(fā)展提供了一種新的理念。

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中圖分類號：TM315

文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)股份有限公司電氣工程師，長期從事電機(jī)與控制理論的研究，電機(jī)、風(fēng)電機(jī)組的電氣試驗(yàn)、安裝調(diào)試等工程實(shí)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