文 | 趙燕峰，萬宇賓，李慧新

由于受到輸電能力不足等多種因素影響，我國風(fēng)電開發(fā)中心向中東南部地區(qū)轉(zhuǎn)移。相對三北地區(qū)，中東南部地區(qū)年平均風(fēng)速明顯減弱，為了滿足經(jīng)濟(jì)性需求，需采取多種措施提升風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量。

雙饋和直驅(qū)均是當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的主流機(jī)型，隨著目標(biāo)風(fēng)電場風(fēng)速下降，雙饋機(jī)組在低風(fēng)速下運(yùn)行的不足逐漸顯現(xiàn)。最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的存在使得雙饋機(jī)組無法在低風(fēng)速段實(shí)現(xiàn)最優(yōu)Cp（風(fēng)能利用系數(shù)）追蹤，風(fēng)速越低雙饋機(jī)組的Cp也越低，葉片無法發(fā)揮全部性能；在低風(fēng)速下雙饋電機(jī)仍必須維持較高的轉(zhuǎn)速，使得低風(fēng)速下雙饋機(jī)組傳動鏈機(jī)械損耗占輸入功率的比重較大；雙饋機(jī)組的定子電壓為電網(wǎng)電壓，基本恒定且不可調(diào)節(jié)，導(dǎo)致雙饋電機(jī)低風(fēng)速運(yùn)行時鐵耗等損耗與滿發(fā)運(yùn)行時近似相同，成為固定損耗且占比較大；雙饋電機(jī)定子并網(wǎng)電壓恒定也導(dǎo)致變頻器的勵磁電流恒定，損耗占比較大。以上多種因素共同導(dǎo)致雙饋機(jī)組在低風(fēng)速段運(yùn)行時，葉片捕獲風(fēng)能的效率下降，而傳動鏈和發(fā)電系統(tǒng)損耗又降低有限，導(dǎo)致整機(jī)效率偏低。

本文針對雙饋機(jī)組低風(fēng)速運(yùn)行的不足，深入分析內(nèi)在根源，提出了可變電氣拓?fù)浼夹g(shù)。該技術(shù)消除雙饋機(jī)組最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的約束，實(shí)現(xiàn)低風(fēng)速段最優(yōu)Cp追蹤；降低傳動鏈機(jī)械損耗，降低雙饋電機(jī)鐵耗和變流器勵磁損耗；改善了雙饋機(jī)組低風(fēng)速下運(yùn)行特性，年發(fā)電量提升不低于3%。

低風(fēng)速下雙饋機(jī)組的不足

滿發(fā)工況附近，齒輪箱效率約為98%，雙饋電機(jī)的效率通常為97%，變頻器效率也是97%，不足1/3的功率經(jīng)變頻器進(jìn)行有損變換后送入電網(wǎng)，剩余超過2/3的功率經(jīng)電纜和開關(guān)等部件幾乎無損送入電網(wǎng)；直驅(qū)永磁電機(jī)滿發(fā)工況附近效率通常不超過95%，全部能量經(jīng)變頻器有損變換后送入電網(wǎng)，變頻器效率同樣為97%，兩種機(jī)組風(fēng)輪后端效率對比如式（1）：

由式（1）可知，大風(fēng)時段，風(fēng)輪后端雙饋的效率高于永磁直驅(qū)的效率，這是雙饋機(jī)組的優(yōu)勢，但與優(yōu)勢相生相伴的便是雙饋機(jī)組的不足。

一、捕風(fēng)性能不足

風(fēng)輪保持適當(dāng)?shù)娜~尖速比才能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲，在低風(fēng)速段實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲要求雙饋電機(jī)能在較低的轉(zhuǎn)速下實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓可以表示為式（2）：

式中，vr表示雙饋電機(jī)運(yùn)行時轉(zhuǎn)子電壓，也是機(jī)側(cè)變頻器的電壓；n表示轉(zhuǎn)速；n0表示同步轉(zhuǎn)速；vopn表示雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)子開路電壓。通常vopn在1800～2300V之間（對應(yīng)690V并網(wǎng)電壓）；對于某款具體電機(jī)，同步轉(zhuǎn)速（由電網(wǎng)頻率和電機(jī)極對數(shù)決定）是不變的。低風(fēng)速段實(shí)現(xiàn)高捕風(fēng)效率要求雙饋機(jī)組具有低的電機(jī)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，也就是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)差增大，最終的結(jié)果就是轉(zhuǎn)子電壓vr增大，而變頻器通常為690V變頻器，最高電壓能力為759V，不能控制更高的電壓，為了保證變頻器的安全可靠，要求雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)差不能過大。以上因素導(dǎo)致雙饋機(jī)組存在最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致雙饋機(jī)組在低風(fēng)速時不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能追蹤，無法獲得最優(yōu)捕風(fēng)效率。

二、傳動鏈機(jī)械損耗占比大

雙饋機(jī)組傳動鏈主要由主軸和齒輪箱組成，在傳遞轉(zhuǎn)矩過程中產(chǎn)生損耗，可以用式（3）的二次函數(shù)近似描述：

式中，pm表示傳動鏈機(jī)械損耗，ka和kb為損耗系數(shù)，c為常量，ω為轉(zhuǎn)速；這些數(shù)值都可以從傳動鏈試驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出。如前所述，雙饋電機(jī)最低可用轉(zhuǎn)速的存在導(dǎo)致傳動鏈存在最小機(jī)械損耗，實(shí)驗(yàn)表明這個損耗比機(jī)組額定功率的1%稍多，在機(jī)組小功率運(yùn)行時，占比較大。式（3）表明，如果能降低雙饋電機(jī)的最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，也就降低了傳動鏈的轉(zhuǎn)速，傳動鏈的損耗能顯著降低。

三、低功率時電磁損耗占比大

另一方面，雙饋機(jī)組定子并網(wǎng)電壓為箱變電壓，基本不變，而電機(jī)鐵耗可以表示為式（4）：

式中，pfe表示雙饋電機(jī)鐵耗，u表示并網(wǎng)電壓，rfe表示鐵耗等效電阻?？梢?，鐵耗基本與功率大小無關(guān)，主要由并網(wǎng)電壓決定；雙饋電機(jī)的鐵耗通常比其額定功率的1%稍多，低風(fēng)速運(yùn)行時，由于并網(wǎng)電壓固定，鐵耗基本固定且占比大。

并網(wǎng)電壓固定導(dǎo)致在相同轉(zhuǎn)速下變頻器的勵磁電流不可調(diào)節(jié)且較大，變流器由于勵磁電流較大因而產(chǎn)生的損耗較大。可見低功率運(yùn)行時，雙饋電機(jī)和變流器的電磁損耗占比大。

四、低功率時散熱系統(tǒng)自耗電占比大

當(dāng)前風(fēng)電機(jī)組的散熱系統(tǒng)大多采用按需控制的方式，即需要散熱時開啟散熱系統(tǒng)。由以上分析可知，低風(fēng)速運(yùn)行時，雖然輸入功率降低很多，但雙饋系統(tǒng)自身的損耗并未減少太多，仍然需要消耗與大功率運(yùn)行時相當(dāng)?shù)纳峁β?，?dǎo)致低風(fēng)速運(yùn)行時自耗電占比大。

綜上所述，雙饋系統(tǒng)特性決定其必然存在最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，進(jìn)而導(dǎo)致低風(fēng)速時風(fēng)輪無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲。低風(fēng)速下前端能量輸入減少，同時機(jī)組傳動鏈機(jī)械損耗、電磁損耗、散熱系統(tǒng)的自耗電等并未明顯減少，這些因素導(dǎo)致雙饋機(jī)組在低風(fēng)速下整機(jī)效率不高，發(fā)電性能不優(yōu)。

可變電氣拓?fù)?/h2>

從上一節(jié)的分析可知，要想解決雙饋機(jī)組低風(fēng)速下性能不足的問題，需要突破雙饋電機(jī)最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的約束，同時設(shè)法降低發(fā)電機(jī)和變流器的固有損耗（如鐵耗和勵磁損耗等）。

一、常規(guī)雙饋機(jī)組電路拓?fù)?/h3>

當(dāng)前雙饋機(jī)組電路拓?fù)淙鐖D1所示。由圖可知，雙饋電機(jī)定子直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子通過變頻器進(jìn)行能量變換后再連接到電網(wǎng)，整個運(yùn)行過程中，電路拓?fù)浔３植蛔儭?/p>

二、可變電壓型拓?fù)潆娐?/h3>

風(fēng)電機(jī)組中通常存在2個或以上電壓等級，例如690V的發(fā)電電壓和400V的用電電壓。發(fā)電和用電是相對的，400V電壓也可以作為發(fā)電的并網(wǎng)端口，通過400V向電網(wǎng)輸送電能?？蓪⑷鐖D1所示的常規(guī)電路拓?fù)涓臑閳D2所示的可變電壓電路拓?fù)洹?/p>

在圖2中，c1和c2為電路連接開關(guān)，接受控制系統(tǒng)控制。當(dāng)c1閉合且c2斷開時，雙饋電機(jī)定子連接400V電路；而c1斷開且c2閉合時，雙饋電機(jī)定子連接690V電路，此時是常規(guī)的雙饋機(jī)組。

當(dāng)c1閉合且c2斷開時，雙饋電機(jī)定子為400V電壓，在式（2）中，vopn同步降低為原來的倍，此時變頻器的電壓能力沒有降低，因此轉(zhuǎn)差率可以擴(kuò)展到原來的倍（例如原來最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1000rpm的四極電機(jī)，現(xiàn)在可以在640rpm時并網(wǎng)）。在式（4）中，u由原來的690V變?yōu)?00V，此時鐵耗降低為原來的1/3。

可見電路拓?fù)涞淖兓?，可以有效改善雙饋機(jī)組低風(fēng)速性能不足的問題，既可以拓展雙饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍，顯著下調(diào)最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速；同時可以將雙饋電機(jī)的鐵耗降低到原來的1/3，顯著降低了系統(tǒng)的固有損耗。

三、星-三角轉(zhuǎn)換拓?fù)潆娐?/h3>

圖1 常規(guī)雙饋機(jī)組電路拓?fù)?/p>

圖2 可變電壓拓?fù)潆娐?/p>

大型電機(jī)通常將繞組引出本體外再進(jìn)行電路連接，當(dāng)前主流的雙饋電機(jī)也均是如此。在電機(jī)本體外部，繞組可以被連接為三角型電路，也可以被連接為星型電路?？稍陔姍C(jī)本體之外，增加一個轉(zhuǎn)換裝置，按需要將電路連接為星型或三角型，如圖3所示。

圖3中的轉(zhuǎn)換柜內(nèi)部電路如圖4所示。通過外部轉(zhuǎn)換柜內(nèi)電路開關(guān)的狀態(tài)組合，可以將電機(jī)繞組轉(zhuǎn)換為星型連接或三角連接接入電網(wǎng)L1/L2/L3。

在常規(guī)的三角連接中，電機(jī)繞組電壓就是電網(wǎng)電壓，如690V；在星型連接中，繞組電壓為400V時即可產(chǎn)生690V的外部電壓。當(dāng)繞組電壓為400V時，式（2）中的vopn同步降低為原來的倍，而變頻器的電壓能力沒有降低，因此轉(zhuǎn)差率可以擴(kuò)展到原來的倍，例如原來最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1000rpm的四極電機(jī)，同樣可以在640rpm時并網(wǎng)。在式（4）中，u由原來的690V變?yōu)?00V，此時鐵耗降低為原來的1/3。

星-三角轉(zhuǎn)換的拓?fù)潆娐放c可變電壓拓?fù)潆娐罚瑢﹄p饋機(jī)組低風(fēng)速性能不足，也就是最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的約束和鐵耗等不變損耗占比較大且不可調(diào)節(jié)等問題，能夠產(chǎn)生顯著的改善。

四、組合拓?fù)潆娐?/h3>

將上述兩種拓?fù)渥儞Q電路結(jié)合起來即為組合拓?fù)潆娐?，如圖5所示。在圖5所示的拓?fù)潆娐分?，?dāng)電機(jī)采用星接同時向400V并網(wǎng)，式（2）中的vopn同步降低為原來的1/3，完全在變流器的控制范圍內(nèi)，此時可以實(shí)現(xiàn)雙饋機(jī)組的0機(jī)械轉(zhuǎn)速并網(wǎng)；同時將雙饋電機(jī)的鐵耗等固有損耗降低到傳統(tǒng)雙饋機(jī)組對應(yīng)損耗的1/9，變頻器的勵磁電流同步降低到傳統(tǒng)模式的1/9；在此過程中傳動鏈機(jī)械損耗隨并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的降低而同步降低，不再維持在不可調(diào)節(jié)的較高值。

通過組合式的電路拓?fù)渥儞Q，將雙饋機(jī)組的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速范圍拓展到與直驅(qū)相同的狀態(tài)，風(fēng)輪的效率與直驅(qū)一致，在低風(fēng)速段同樣能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲；同時在拓?fù)潆娐纷儞Q中，顯著降低了原來基本不變且占比大的機(jī)械和電磁損耗，解決了導(dǎo)致雙饋機(jī)組低風(fēng)速段性能不足的兩個根本問題。

發(fā)電量提升

組合式可變拓?fù)潆娐房梢越鉀Q雙饋機(jī)組低風(fēng)速下性能不足的根源問題，通過最優(yōu)化風(fēng)輪的捕風(fēng)效率增加前端能量輸入，通過顯著降低（降低到原來的1/9）后端的機(jī)械損耗和電磁損耗來提升轉(zhuǎn)換效率，同時降低了部件溫升從而減少散熱系統(tǒng)耗電量，因此能夠提升發(fā)電量。

圖3 拓?fù)滢D(zhuǎn)換電路

圖4 電路拓?fù)鋵Ρ?/p>

圖5 組合拓?fù)潆娐?/p>

一、捕風(fēng)性能優(yōu)化

傳統(tǒng)雙饋機(jī)組受限于最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速，低風(fēng)速下無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)風(fēng)能捕獲；通過組合式拓?fù)渥儞Q電路突破轉(zhuǎn)速的約束后，雙饋機(jī)組在低風(fēng)速段，可以沿著以接近理想Cp的曲線運(yùn)行，如圖6所示，將風(fēng)輪潛力發(fā)揮到極致。同時可以降低切入風(fēng)速，從原來的3m/s降低到2m/s。

雖然低風(fēng)速下機(jī)組發(fā)電功率相對小，但在中東南部地區(qū)的風(fēng)電場，2～5m/s風(fēng)速的時長達(dá)到3500小時，累積結(jié)果仍很可觀。

二、轉(zhuǎn)換效率提升

式（3）中的機(jī)械損耗可進(jìn)一步分為嚙合損耗和摩擦損耗，嚙合損耗由齒輪箱的升速比、加工工藝、成本等決定，主要與傳遞的轉(zhuǎn)矩有關(guān)；摩擦損耗與轉(zhuǎn)速強(qiáng)相關(guān)，在相同情況下，降低傳動鏈轉(zhuǎn)速同步也降低了摩擦損耗，從而提升傳動鏈的機(jī)械效率。

雙饋機(jī)組低風(fēng)速運(yùn)行時，比較多種機(jī)型的實(shí)測數(shù)據(jù)，電磁損耗通常為機(jī)械損耗的2倍，在電磁損耗中，雙饋電機(jī)的鐵耗又占比1/2以上，此處以鐵耗為例進(jìn)行說明。雙饋電機(jī)鐵耗數(shù)學(xué)描述如式（4），在組合式可變拓?fù)潆娐分校墙訉⒗@組電壓降低為常規(guī)模式的，向400V并網(wǎng)又將繞組電壓降低為，依據(jù)式（4）此時鐵耗被降低到原來的，實(shí)際運(yùn)行中由于電機(jī)的非線性，真實(shí)鐵耗不足原來的1/10。同理，變頻器的勵磁電流也降低為原來的1/3，低風(fēng)速下變頻器的損耗也大幅降低。

采用可變拓?fù)潆娐?，可以改變且顯著降低原來基本不變的固有損耗，低風(fēng)速下機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換效率顯著提升。

三、散熱系統(tǒng)耗電減少

由于齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變流器損耗降低，發(fā)熱減少，散熱系統(tǒng)耗電可相應(yīng)減少。散熱系統(tǒng)采用分檔控制，齒輪箱、發(fā)電機(jī)等部件溫度較低時采用小功率散熱檔位，溫度升高到一定值后，采用中功率檔位散熱，再上升到較高值后采用高功率檔位散熱。

四、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖7所示，在機(jī)艙對機(jī)艙的全功率實(shí)驗(yàn)臺位，進(jìn)行全運(yùn)行范圍內(nèi)的動態(tài)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)中最大限度模擬真實(shí)運(yùn)行工況，能夠測試傳動鏈機(jī)械損耗、發(fā)電機(jī)損耗、變頻器損耗的變化。實(shí)驗(yàn)沒有模擬自耗電下降性能及葉片捕風(fēng)性能優(yōu)化。

本次實(shí)驗(yàn)可以定量測得傳動鏈和發(fā)電系統(tǒng)損耗的優(yōu)化，數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖可以看出，在低風(fēng)速段，機(jī)組傳動鏈的機(jī)械損耗和電磁損耗確實(shí)顯著減少。例如2.5m/s風(fēng)速附近，機(jī)組轉(zhuǎn)換損耗減少了40kW，隨著功率（風(fēng)速）上升，損耗減少的程度逐漸下降，這些減少的損耗都將變成發(fā)電功率送入電網(wǎng)。

五、仿真分析

將以上的實(shí)驗(yàn)實(shí)測值導(dǎo)入仿真軟件中，采用標(biāo)準(zhǔn)空氣密度，瑞利風(fēng)頻分布，計算不同年平均風(fēng)速下發(fā)電量提升百分比（表1）。

由表1可知，年平均風(fēng)速越低提升比例越大，在5m/s年平均風(fēng)速下，仿真得到的發(fā)電量提升比例為3.2%。

應(yīng)用實(shí)例

以某低風(fēng)速機(jī)組為例說明應(yīng)用效果。目標(biāo)機(jī)組2016—2018年平均風(fēng)速分別為：5.2m/s、4.6m/s、5.1m/s，最低并網(wǎng)轉(zhuǎn)速為1000rpm，從4.6m/s風(fēng)速開始實(shí)現(xiàn)最優(yōu)Cp追蹤。

圖6 Cp變化比較

圖7 機(jī)艙對機(jī)艙的全功率實(shí)驗(yàn)

圖8 不同風(fēng)速下的損耗減少量

表1 不同年平均風(fēng)速下發(fā)電量提升比例

圖9 轉(zhuǎn)換柜實(shí)物

圖10 切入發(fā)電風(fēng)速

圖11 不同模式下功率曲線比較

采用組合式可變拓?fù)潆娐芳夹g(shù)對其進(jìn)行升級改造，機(jī)艙加裝完成電路拓?fù)渥儞Q的轉(zhuǎn)換柜實(shí)物如圖9所示。

原來需要平均風(fēng)速3m/s才能切入發(fā)電，升級后機(jī)組在不足2m/s風(fēng)速開始并網(wǎng)切入發(fā)電，并網(wǎng)轉(zhuǎn)速降低到不高于350rpm，如圖10所示。

采用等時間片獲取同一機(jī)組不同模式下功率曲線，即一段時間片內(nèi)機(jī)組運(yùn)行在常規(guī)模式下，相鄰時間片機(jī)組又運(yùn)行在組合式可變拓?fù)潆娐纺Ｊ较隆Ｍㄟ^近1年的數(shù)據(jù)積累，獲取功率曲線對比如圖11所示。

圖11中，大風(fēng)模式為常規(guī)雙饋模式，小風(fēng)模式為組合式可變拓?fù)潆娐纺Ｊ剑梢娫诓桓哂?m/s（對應(yīng)機(jī)組功率為1.4MW）范圍內(nèi)，組合式可變拓?fù)潆娐返哪Ｊ骄哂袃?yōu)勢；在8m/s（對應(yīng)機(jī)組功率為1.4MW）以上，由于組合式可變拓?fù)潆娐纺Ｊ降钠渌麚p耗（如銅耗等）迅速增加而不再有優(yōu)勢。主控系統(tǒng)自動在常規(guī)雙饋模式和組合式可變拓?fù)潆娐纺Ｊ街袨闄C(jī)組選擇最優(yōu)效率的運(yùn)行模式，保證機(jī)組總發(fā)電量最高。

全功率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的仿真計算結(jié)果表明該技術(shù)可提升發(fā)電量3.2%，SCADA運(yùn)行記錄與相似/臨近機(jī)組對比結(jié)果顯示提升發(fā)電量4.66%，基于等時間片切換在SCADA運(yùn)行記錄中形成的功率曲線計算結(jié)果表明提升發(fā)電量3.1%；綜合以上認(rèn)為發(fā)電量提升不低于3%。

結(jié)論

由于組合式可變拓?fù)潆娐芳夹g(shù)可以解決制約雙饋機(jī)組低風(fēng)速性能的兩個根源問題，大幅提升雙饋系統(tǒng)的基本屬性，堪稱超級，也簡稱超級雙饋技術(shù)。該技術(shù)通過了北京鑒衡認(rèn)證中心的認(rèn)證。

理論分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、風(fēng)電場實(shí)機(jī)驗(yàn)證，都表明組合式可變拓?fù)潆娐芳夹g(shù)可以解決雙饋機(jī)組低風(fēng)速性能不足的根本問題，在不降低機(jī)組性能的同時具備極高可靠性，機(jī)組發(fā)電量提升幅度可觀。