文 | 王明軍

變速變槳風電機組主要采用變槳距方式改變捕風能力，調(diào)節(jié)機組功率和轉(zhuǎn)速。機組的轉(zhuǎn)速控制、超速保護設(shè)置，直接關(guān)系到機組運行安全、部件壽命、故障概率和年利用小時數(shù)等。在進行轉(zhuǎn)速控制和超速保護設(shè)置時，既需保證設(shè)備安全，又要充分發(fā)揮機組性能。采用適當?shù)目刂品绞?，合理地設(shè)置控制參數(shù)，可以提高設(shè)備的經(jīng)濟性，大幅度地提升機組的穩(wěn)定性。

本文就德國REpower變速變槳1.5MW雙饋機組（同步轉(zhuǎn)速為1500rpm，運行范圍是1000～2000rpm）的轉(zhuǎn)速控制、超速停機及超速參數(shù)設(shè)置值等進行分析和闡述。

變速風電機組控制及轉(zhuǎn)速限制問題

變速風電機組的轉(zhuǎn)速控制一般可分為兩種情況：在低于額定風速時，通過變頻器的調(diào)節(jié)控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機組的轉(zhuǎn)速控制；在高于額定風速時，一般采用調(diào)節(jié)槳距角的方法將多余的能量釋放出去，實現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速控制。

一、變速變槳風電機組的優(yōu)點

與恒速機組相比，變速機組的主要優(yōu)點如下：

（1）葉輪能在很寬的風速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比，從而使風能利用系數(shù)最大，提高了系統(tǒng)效率。

（2）自然狀態(tài)的風隨機可變，當出現(xiàn)極限陣風，風速突然增大時，可提高葉輪轉(zhuǎn)速，使一部分能量以動能形式存儲，保證機組的輸出功率基本不變；當風速降低，葉輪存儲的動能再以電能的形式輸出，使機組的功率輸出平穩(wěn)，從而減小風速變化對電網(wǎng)的沖擊。同時，有效地避免了機組傳動結(jié)構(gòu)上的受力突變，減小風速變化對機組機械部件造成的沖擊，降低機械部件的疲勞損傷，延長部件和機組的使用壽命。

二、變速雙饋機組的超速參數(shù)設(shè)置

當變速雙饋風電機組處于超同步運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速，如果距超速保護定值的裕度過小，那么，出現(xiàn)極限陣風或受電網(wǎng)故障擾動后可能觸發(fā)超速保護停機，對機組部件和發(fā)電造成不利的影響。當機組因其他故障停機時，不必要地觸發(fā)超速停機，影響機組的故障判斷等。因此，超速保護參數(shù)的設(shè)定值不能過低。另一方面，機組運行轉(zhuǎn)速過高，則可能危及發(fā)電機、變頻器等機組部件的安全。因此，合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)對機組的正常運行至關(guān)重要。

在設(shè)置雙饋風電機組的超速參數(shù)時，主要需考慮以下幾個方面：

（一）發(fā)電機的承受能力

GB/T23479《風力發(fā)電機組 雙饋異步發(fā)電機》中對發(fā)電機有這樣的規(guī)定：“發(fā)電機處于熱態(tài)，應(yīng)承受1.2倍的最大工作轉(zhuǎn)速，歷時2min。超速試驗后發(fā)電機各部件應(yīng)無永久性變形和不產(chǎn)生妨礙發(fā)電機正常運行的其他缺陷?！币虼?，在設(shè)置超速參數(shù)時，應(yīng)考慮雙饋機組發(fā)電機的承受能力。

（二）雙饋機組的變頻器容量及發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓

雙饋風電機組變頻器的容量很小，約為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差容量（即發(fā)電機定子輸出容量與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積）。在雙饋發(fā)電機定子輸出容量一定的情況下，變頻器的勵磁容量與轉(zhuǎn)差率的絕對值成正比。也就是說，雙饋機組的轉(zhuǎn)速運行范圍越寬，轉(zhuǎn)子變頻器的勵磁容量也就越大。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)注意發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍與變頻器容量之間的優(yōu)化和權(quán)衡問題，以達到較好的經(jīng)濟性能指標。

變頻器的輸出電壓為發(fā)電機轉(zhuǎn)子開路電壓與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積，因此，轉(zhuǎn)子開路電壓等級的確定，既要考慮變頻器的電壓等級，也要考慮發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流在不同的運行狀態(tài)下大小不同，在轉(zhuǎn)差率的絕對值最大時，轉(zhuǎn)子電壓最大。

（三）機組運行的最高并網(wǎng)轉(zhuǎn)速

在設(shè)定機組額定轉(zhuǎn)速與超速參數(shù)值時，應(yīng)充分考慮機組正常運行的速度上升空間，以利于葉輪跟蹤最佳葉尖速比和短時陣風時的葉輪儲能，提高機組效率。在機組允許的并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不應(yīng)設(shè)置沒有延時的瞬間停機超速保護。

在機組運行范圍內(nèi)設(shè)置沒有延時的超速停機保護會造成：機組的并網(wǎng)運行范圍縮??；當機組負荷較高，且風速急劇變化時，機組報超速停機頻繁。如采取修改變槳控制算法參數(shù)的方法，來解決沒有延時超速停機保護參數(shù)設(shè)置錯誤所帶來的超速停機問題，則必將影響葉輪的儲能和發(fā)電量。這不僅不能使超速停機問題得到徹底解決，還可能影響部件壽命，增加機組的故障概率等。

（四）甩負荷停機后，機組需要有足夠飛升轉(zhuǎn)速的速度空間

機組在高負荷執(zhí)行低電壓或高電壓穿越的過程中，需要一個較大的速度上升空間，不能因超速保護而停機脫網(wǎng)；當機組執(zhí)行甩負荷故障停機時，應(yīng)有足夠的葉輪飛升的速度空間，在機組順槳正常的情況下，不應(yīng)觸發(fā)斷安全鏈的剎車200超速保護，以保護機械部件（如齒輪箱、葉片、塔筒等）免受損傷和沖擊。

REpower1.5MW雙饋風電機組的超速參數(shù)設(shè)置

為限制超速、保障機組安全，REpower 1.5MW機型采取了較為合理的控制策略，并設(shè)置多個限制機組超速的狀態(tài)碼：213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態(tài)碼213為只報警不停機外，其余9個均為停機保護。

下面就該機型超速控制策略、超速控制狀態(tài)碼和超速參數(shù)設(shè)置值進行分析。

一、機組并網(wǎng)運行的轉(zhuǎn)速控制

該系列機型使用的主控是WP3100，控制正常運行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的參數(shù)主要有三個，即：降噪運行、狀態(tài)碼213和機組額定轉(zhuǎn)速。另外，在功率控制上，該主控的控制策略采用查表法，即：當并網(wǎng)轉(zhuǎn)速上升時，主控的給定扭矩也隨之上升，這既符合雙饋機組的工作特性，又從控制上通過持續(xù)加大給定扭矩的方法來限制轉(zhuǎn)速。同時，增加機組出力，避免運行轉(zhuǎn)速超過其正常的允許范圍。

實踐證明，當機組無故障時，按照REpower超速參數(shù)設(shè)置方式，在眾多風況條件下，機組在設(shè)計的整個運行風速段內(nèi)均不會報軟件超速，更不會報硬件超速停機。

按照REpower的參數(shù)設(shè)置，“極限陣風”狀態(tài)碼213的控制和參數(shù)設(shè)置為：當機組高速軸轉(zhuǎn)速達到1960rpm，且時間超過0.2s時，控制機組的“額定轉(zhuǎn)速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm），改為由設(shè)定的“安全轉(zhuǎn)速”（G）safe xxxx rpm（如：1720rpm）控制。葉輪以5°/s順槳，葉片從0°向90°方向移動，機組轉(zhuǎn)速下降，“安全轉(zhuǎn)速”的控制時間為“安全時間設(shè)定值”（G）safe time xxx s（主控WP3100默認值：600s，此參數(shù)應(yīng)根據(jù)機位的風況條件進行調(diào)整，應(yīng)以機組既能避開極端風況，又不因多次“極限陣風”報“重復故障”停機為準）。在此之后，機組的轉(zhuǎn)速控制，再次從“安全轉(zhuǎn)速”控制恢復到由機組正常的“額定轉(zhuǎn)速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm）控制，并以主控設(shè)定“安全提升速率”（G）safe ramp xx rpm/s（WP3100默認值：10rpm/s）升速。

另一方面，當出現(xiàn)短時陣風時，葉輪轉(zhuǎn)速迅速升高，實現(xiàn)能量的存儲。葉輪轉(zhuǎn)速達到了1960rpm，但沒有超過0.2s，則不執(zhí)行該狀態(tài)碼，這樣，機組的實際最高運行轉(zhuǎn)速更接近2000rpm，有利于盡量多地吸收風能，同時，避免短時陣風對機械部件造成的沖擊。當風速下降時，葉輪轉(zhuǎn)速降低，短時儲存的動能轉(zhuǎn)化成電能，從而保證機組的功率穩(wěn)定。

在通常風況條件下，通過設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”控制機組轉(zhuǎn)速。當風況較差、風速不穩(wěn)時，可以通過激活“極限陣風”狀態(tài)碼213把機組轉(zhuǎn)速控制在正常運行范圍內(nèi)，以降低額定轉(zhuǎn)速的形式限制轉(zhuǎn)速，此狀態(tài)碼只報警不停機。在風況相對穩(wěn)定、機組轉(zhuǎn)速得到有效控制后自動恢復到正常的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值進行控制。這樣，既保證了機組最大限度地吸收風能，提高發(fā)電量，又能較好地把機組轉(zhuǎn)速控制在正常運行范圍之內(nèi)。

因此，通過主控設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”和“極限陣風（213）”把機組的運行轉(zhuǎn)速控制在設(shè)備正常范圍內(nèi)，而不是通過停機來控制機組運行的最高轉(zhuǎn)速這種方式，既有利于限制轉(zhuǎn)速，又能最大限度地發(fā)揮變速雙饋機組的性能。

二、保證機組安全的軟件停機

為保證機組安全，避免機組轉(zhuǎn)速過高，在機組最大運行轉(zhuǎn)速2000rpm附近，設(shè)置了“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”兩道限制轉(zhuǎn)速的停機保護指令。

狀態(tài)碼1905，為剎車52，當機組齒輪箱高速軸轉(zhuǎn)速達到1950rpm，機艙控制柜內(nèi)的硬件WP2135動作，通過接線和滑環(huán)，把信號傳到輪轂內(nèi)的變槳控制器，由變槳控制器程序設(shè)定延時0.3s，如果在0.3s后硬件WP2135仍處于斷開狀態(tài)，此時變槳控制器就不再接受主控指令，只按變槳控制器程序執(zhí)行5°/s的變槳驅(qū)動器順槳，同時，再通過變槳通信傳給主控（由主控的RPM OK信號狀態(tài)得到顯示），主控報“變槳自主運行（1905）”故障，執(zhí)行降負荷停機；如果硬件WP2135斷開的時間不足0.3s，則不執(zhí)行該狀態(tài)碼，機組不會停機。因變槳控制器設(shè)定的延時時間為0.3s，而達到硬件觸發(fā)值后，超速模塊WP2135動作還需要時間，因此，實際延時觸發(fā)“變槳自主運行（1905）”的時間大于0.3s。在某些特殊情況下，通過變槳控制器執(zhí)行“變槳自主運行（1905）”，即可保障機組及部件安全。

因“變槳自主運行（1905）” 的執(zhí)行條件僅略高于“極限陣風（213）”，兩者的觸發(fā)條件相當接近。在機組運行過程中，可能同時滿足這兩個觸發(fā)條件，這就可能在執(zhí)行“極限陣風”的同時，執(zhí)行“變槳自主運行”。機組會因執(zhí)行“變槳自主運行”而停機。

為保證機組長期穩(wěn)定運行，當兩個觸發(fā)條件同時滿足時，則優(yōu)先執(zhí)行“極限陣風（213）”，而不執(zhí)行“變槳自主運行（1905）”程序。因此，機組就不會因執(zhí)行“變槳自主運行”而停機，同時也避免了機組誤報故障。

按照REpower機組配置的ALSTOM變頻器參數(shù)設(shè)置，當轉(zhuǎn)速達到2000rpm，超過延時設(shè)定值0.1s（有的變頻器則設(shè)置為2050rpm，沒有延時），達到“變頻器超速（1411）”的觸發(fā)條件，則并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速超過變頻器的能力，變頻器會自動甩負荷脫網(wǎng)，再由變頻器發(fā)出信號傳到主控輸入端口，執(zhí)行剎車程序75，采用變槳驅(qū)動器順槳，順槳速率為8°/s。其速度信號來自于發(fā)電機編碼器。

以上兩個超速停機保護狀態(tài)碼，通過兩個完全不同的路徑觸發(fā)順槳停機，以確保機組并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速不會超出運行范圍，或不超出運行范圍太遠，保護變頻器、發(fā)電機等部件及機組安全。

三、3個“軟件超速”的設(shè)置及超速保護的執(zhí)行順序

該轉(zhuǎn)速控制方案還設(shè)置了3個沒有延時的“軟件超速”保護，即：齒輪箱軟件超速（310）、低速軸軟件超速（311）和發(fā)電機軟件超速（312）。當轉(zhuǎn)速上升到3個“軟件超速”設(shè)定值，則會報出310、311、312超速故障。

按照REpower超速參數(shù)設(shè)置（統(tǒng)一換算成高速軸轉(zhuǎn)速），設(shè)定的超速參數(shù)值均為2178rpm（剎車程序75），轉(zhuǎn)速信號分別來自3個不同的測速探頭。由主控軟件判斷執(zhí)行，沒有延時，執(zhí)行受控的變槳驅(qū)動器順槳停機，順槳速率為8°/s。

在執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制和超速停機保護時，有著嚴格的先后邏輯順序。首先，執(zhí)行“極限陣風（213）”；其次，執(zhí)行“變槳自主運行（1905）”和“變頻器超速（1411）”；最后，執(zhí)行“軟件超速”，報310、311、312故障。

與機組超速有關(guān)的主控、變槳控制程序，或參數(shù)設(shè)置值如有不同，機組的運行狀況可能會大不一樣。

例如：在編制“變槳自主運行”控制程序時，沒有設(shè)置0.3s延遲，或沒有設(shè)置“極限陣風（213）” 程序優(yōu)先于“變槳自主運行”執(zhí)行的條件，這樣，在大風時節(jié)、風速極度變化時，機組會頻繁報“變槳自主運行（1905）”停機，造成機組頻繁報故障停機。

再如：設(shè)置的3個“軟件超速”觸發(fā)值過低，距離最高運行轉(zhuǎn)速較近，甚至設(shè)在機組的運行范圍之內(nèi)，則會造成大風期間頻繁報“軟件超速”停機和報故障不準確等。

四、剎車200超速停機的參數(shù)設(shè)置和作用

在機組順槳正常的情況下，通常不觸發(fā)“剎車200超速”。機組報“剎車200超速”停機時，將啟用備用電源緊急順槳，同時，主軸剎車器參與制動。報“剎車200超速”停機是轉(zhuǎn)速失控，或機組飛車的重要標志。

兩個“剎車200軟件超速”停機分別是：“低速軸剎車200軟件超速（317）”和“齒輪箱剎車200軟件超速（328）”，它們的測速信號分別源自兩個不同的測速探頭，觸發(fā)值由主控軟件設(shè)定，并通過主控軟件執(zhí)行剎車200停機以及斷安全鏈。

兩個“剎車200硬件超速”停機分別是：“發(fā)電機WP2035硬件超速（319）”和“低速軸WP2035硬件超速（320）”。它們信號來源為硬件超速模塊，執(zhí)行時報剎車200，并斷安全鏈。這兩個硬件超速保護命令，僅與超速模塊及其硬件設(shè)置有關(guān)，而與主控的軟硬件和參數(shù)設(shè)置無關(guān)。

以上4個“剎車200超速”，其設(shè)置值均為2400rpm，順槳速率理論上為15°/s，其實際速度與電池電壓、電流、變槳電機、變槳齒輪箱速比、機組運行狀態(tài)等有關(guān)，觸發(fā)后，需到現(xiàn)場進行安全鏈復位。

由以上分析可知：在絕大多情況下，機組轉(zhuǎn)速的控制，僅通過控制機組的“額定轉(zhuǎn)速”使機組運行在允許的速度范圍；在機組故障，或某些特殊外界條件下，可能觸發(fā)“軟件超速”。主軸剎車器頻繁制動可能造成齒輪箱齒面的點蝕等。因此，在一般情況下，主軸剎車器不參與機組制動，不觸發(fā)“剎車200超速”停機。

結(jié)論

合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置，既對保護設(shè)備有利，又能充分發(fā)揮機組的性能，以最大限度地降低風電機組的度電成本。因此，轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置對機組安全運行和提高發(fā)電量有著重要的意義。

云南的老青山、松子山、聯(lián)合、小白龍、羊雄山、趕馬路、云臺山，陜西的李家梁和四川廣元的芳地坪等不同地區(qū)、多個復雜山地地形風電場幾百臺機組的長期現(xiàn)場運行實踐表明，本文所述的轉(zhuǎn)速控制方式及超速參數(shù)設(shè)置值，不僅適用于東方風電的FD70、FD77國產(chǎn)化1.5MW機組，還普遍適用于東方風電自主研發(fā)的FD82、FD87、FD89和FD93等機型的1.5MW機組。由流體力學的相似原理可知，該轉(zhuǎn)速控制及超速設(shè)置方案對其他機型具有重要的借鑒意義和參考價值。