羅文哲

摘要：風(fēng)能是一種以太陽(yáng)為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用形式。風(fēng)力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，符合能源技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，得到世界上絕大多數(shù)國(guó)家的扶持，發(fā)展迅猛。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最終輸出交流電的電力設(shè)備，可單機(jī)直接供給用電設(shè)備，也可并網(wǎng)輸送到用電集中地區(qū)。

1 前言

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最新型技術(shù)是變槳調(diào)速，有雙饋型和直驅(qū)型兩種機(jī)型，直驅(qū)機(jī)組因其優(yōu)勢(shì)明顯，在海上大功率風(fēng)力發(fā)電中占據(jù)主導(dǎo)地位。永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)因其轉(zhuǎn)速低、體積大、造價(jià)高等特點(diǎn)，在制造廠的試驗(yàn)測(cè)試與常規(guī)發(fā)電機(jī)不同，本文詳細(xì)介紹其試驗(yàn)原理、試驗(yàn)系統(tǒng)及其應(yīng)用。

2 直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組工作原理及優(yōu)勢(shì)

直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由葉輪直接驅(qū)動(dòng)永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1），具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

（1）直接驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)組成設(shè)備少，可靠性高，運(yùn)行維護(hù)成本低;

（3）無(wú)齒輪箱，提高了效率，降低了噪音;

（4）無(wú)稀油潤(rùn)滑，無(wú)漏油隱患，清潔環(huán)保;

（5）全功率變流器完全將機(jī)組和電網(wǎng)隔離，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功、無(wú)功的靈活控制，并且易實(shí)現(xiàn)低電壓穿越，保障電力安全。

3 試驗(yàn)原理

永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)試驗(yàn)按照機(jī)電設(shè)備和GB/T25389.1、GB/T25389.1、NB/T31012等永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)中型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)方法進(jìn)行。

永磁直驅(qū)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低、體積大、造價(jià)高，無(wú)法像常規(guī)發(fā)電機(jī)那樣，用已試驗(yàn)合格的專門測(cè)試機(jī)和變流器固定在試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)新制造的待測(cè)試發(fā)電機(jī)進(jìn)行全功率試驗(yàn)?；诖?，提出了背靠背對(duì)拖試驗(yàn)方法，其原理是使用兩臺(tái)新制造的待測(cè)試發(fā)電機(jī)產(chǎn)品，配套產(chǎn)品變流器，互相作為測(cè)試機(jī)和被試機(jī)，完成試驗(yàn)項(xiàng)目。

根據(jù)這一試驗(yàn)原理，試驗(yàn)站只需配備：

（1）試驗(yàn)平臺(tái)、監(jiān)測(cè)儀器和分析系統(tǒng);

（2）必要的模擬風(fēng)場(chǎng)條件的設(shè)備;

（3）具有并網(wǎng)功能的電控設(shè)備;

（4）連接電纜。

4 背靠背對(duì)拖試驗(yàn)系統(tǒng)

背靠背對(duì)拖試驗(yàn)一次電氣系統(tǒng)圖如圖2，本試驗(yàn)系統(tǒng)適用于1.5MW～6MW、輸入電壓為690V、永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的出廠試驗(yàn)和型式試驗(yàn)。試驗(yàn)站高壓系統(tǒng)母線由專門的1000kVA、690V變壓器供電，低壓系統(tǒng)由廠用電提供。

本試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品試驗(yàn)節(jié)能要求，設(shè)計(jì)有電力回饋電路：兩路總授電其中一路接入高壓母線，為相應(yīng)等級(jí)高壓變流器供電，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換后反饋會(huì)高壓母線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品滿負(fù)荷試驗(yàn)的能量回饋節(jié)能要求。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，DHG柜開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，以電動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)拖動(dòng)以發(fā)電機(jī)狀態(tài)運(yùn)行的電機(jī)運(yùn)行，滿足并網(wǎng)條件后，合DHG柜開(kāi)關(guān)，發(fā)電機(jī)能量回饋到高壓母線，達(dá)到節(jié)能目的。

對(duì)被試產(chǎn)品，設(shè)輸入輸出測(cè)量柜。電壓測(cè)量采用LEM LV100-3500/SP2電壓傳感器，精度為±0.9%;電流測(cè)量采用LEM LT4000-S/SP24電流傳感器，精度為±0.3%。

計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)系統(tǒng)完成試驗(yàn)設(shè)備監(jiān)控、軟操作及被試產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

本試驗(yàn)系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)，電機(jī)和變流器使用被試產(chǎn)品，大幅度節(jié)省了投資成本。在試驗(yàn)中，兩臺(tái)電機(jī)互為被試產(chǎn)品，分別以電動(dòng)狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，對(duì)應(yīng)設(shè)置變流器的相應(yīng)參數(shù)即可，切換方便。

5 試驗(yàn)過(guò)程

5.1 設(shè)備固定與變流器水冷管路連接

（1）電機(jī)對(duì)組選用膠套聯(lián)軸器軟連接，見(jiàn)圖3，圖中右側(cè)的風(fēng)機(jī)模擬風(fēng)場(chǎng)工況。一臺(tái)發(fā)電機(jī)固定好，調(diào)整另一臺(tái)發(fā)電機(jī)，要求兩臺(tái)發(fā)電機(jī)同軸，半聯(lián)軸器端面之間的距離為50mm。先進(jìn)行單機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行測(cè)試，測(cè)試合格后連接聯(lián)軸器，進(jìn)行帶載測(cè)試。

（2）水冷系統(tǒng)管路以水冷控制柜為中心，去變流器一個(gè)回路，去散熱器一個(gè)回路，兩個(gè)回路之間有三通閥調(diào)節(jié)冷卻液流量大小。散熱器的3個(gè)冷卻風(fēng)扇根據(jù)溫度設(shè)定值輪流啟動(dòng)工作;當(dāng)冷卻液溫度降到下限設(shè)定值時(shí)，風(fēng)扇停機(jī)。水冷控制柜的4個(gè)管路接口為卡箍式，變流器、散熱器各2個(gè)管路接口為法蘭式。

（3）水冷系統(tǒng)的冷卻液須符合變流器廠家提供的技術(shù)要求，可用純凈水添加防銹劑、乙二醇（寒冷地區(qū)）來(lái)配置。流量計(jì)安裝在變流器進(jìn)水管路中，安裝點(diǎn)兩端各有至少500mm平直管。管路中初次加注冷卻液會(huì)產(chǎn)生氣泡，氣泡在壓力的作用下可由管路最高處的自動(dòng)排氣閥門排出。

5.2 電氣連接

（1）按照電氣接線圖及電氣接線規(guī)范連接發(fā)電機(jī)、變流器與變壓器之間的動(dòng)力電纜，相序要正確，標(biāo)識(shí)要清楚。電纜全部走電纜溝，動(dòng)力電纜和信號(hào)電纜分開(kāi)鋪設(shè)。濾波器、低電壓穿越模塊運(yùn)行時(shí)發(fā)熱較大，半米范圍內(nèi)不應(yīng)有其他設(shè)備。

（2）變流器與低電壓穿越模塊之間的接線、濾波器與發(fā)電機(jī)之間的接線按接線圖正確連接。濾波器前端安裝熔斷器，熔斷器前端并接在發(fā)電機(jī)主電纜上。低電壓穿越模塊連接在變流器過(guò)壓保護(hù)模塊下端的U、V、W連接排上，“+”接在變流器直流母排“+”上。為便于試驗(yàn)操作，將變流器端子上的startenable、emergencystop、resent用機(jī)械開(kāi)關(guān)引出。

（3）水冷控制柜中的循環(huán)泵電機(jī)電源為AC380V，用4mm2電纜;控制部分電源為AC220V，用1mm2屏蔽電纜。

（4）所有電氣設(shè)備外殼、電纜屏蔽層可靠接地，安全接地、工作接地和電磁干擾接地必須分開(kāi)單獨(dú)連接。

（5）電氣接線時(shí)，螺母使用力矩扳手按照手冊(cè)給定的螺栓擰緊力矩值緊固，確保接觸良好。

5.3 試驗(yàn)過(guò)程

（1）準(zhǔn)備工作

試驗(yàn)人員提前熟悉試驗(yàn)大綱內(nèi)容，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)明確，掌握試驗(yàn)操作要領(lǐng);測(cè)試計(jì)量?jī)x器儀表已經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)，量程適當(dāng)，顯示準(zhǔn)確，精度滿足要求。

（2）試驗(yàn)測(cè)試

試驗(yàn)項(xiàng)目和方法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)大綱。其中，重點(diǎn)項(xiàng)目是單機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行試驗(yàn)、聯(lián)機(jī)后的負(fù)載試驗(yàn)、溫升試驗(yàn)、并網(wǎng)試驗(yàn)。

（3）記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)要求，在數(shù)據(jù)記錄表格上記錄-原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)要求真實(shí)、準(zhǔn)確，且同一組數(shù)據(jù)同步采集。

（4）編制試驗(yàn)報(bào)告

試驗(yàn)報(bào)告項(xiàng)目和內(nèi)容根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或者企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定，出廠試驗(yàn)、型式試驗(yàn)以及專項(xiàng)試驗(yàn)分別按照標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)報(bào)告模板編制。

5.4 總結(jié)

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于準(zhǔn)備工作不充分，或者是單機(jī)測(cè)試項(xiàng)目遺漏，給聯(lián)機(jī)帶載測(cè)試帶來(lái)許多障礙，總結(jié)如下：

（1）試驗(yàn)項(xiàng)目和方法嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格按照試驗(yàn)大綱。專項(xiàng)試驗(yàn)方案須反復(fù)斟酌，從原理到實(shí)操進(jìn)行論證，不能用嘗試性的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）試驗(yàn)前須測(cè)試電機(jī)冷態(tài)絕緣電阻，與設(shè)計(jì)值比較是否有變化;必要時(shí)可根據(jù)JB/T 5811-2007 第 12 項(xiàng)“電機(jī)應(yīng)能重復(fù)工頻耐壓試驗(yàn)和沖擊耐受電壓試驗(yàn)”，重復(fù)做一次沖擊耐受電壓試驗(yàn);若電機(jī)放置時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，應(yīng)進(jìn)行烘干處理，絕緣電阻值不低于500MΩ。

（3）變流器在連接到電機(jī)前須復(fù)測(cè)輸出頻率偏差、電壓偏差、電壓波動(dòng)與閃變、三相不平衡、波形畸變（諧波）、du/dt等。

（4）水冷系統(tǒng)的進(jìn)出口水壓和溫度須符合技術(shù)文件要求，管路無(wú)泄露，壓力能保持。

（5）變流器與電機(jī)配合進(jìn)行單機(jī)平穩(wěn)性試驗(yàn)時(shí)，監(jiān)測(cè)電機(jī)繞組和軸承溫度變化，用示波器記錄拖動(dòng)變流器輸出側(cè)電壓電流。

（6）單機(jī)運(yùn)行時(shí)，變頻器參數(shù)設(shè)置正確，電機(jī)狀態(tài)參數(shù)顯示正常，方可對(duì)組測(cè)試聯(lián)機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目。

6 結(jié)語(yǔ)

提出了永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的功率控制策略.對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行背靠背對(duì)拖試驗(yàn).結(jié)果表明，仿真結(jié)果與試驗(yàn)波形一致，驗(yàn)證了該功率控制策略可有效控制輸入到電網(wǎng)的有功功率和無(wú)功功率，能充分利用風(fēng)能.

參考文獻(xiàn)：

[1]王剛毅，肖強(qiáng)暉，朱廣輝，鄧琛，向述平，&張陳虎.（2013）.永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)功率控制的研究.湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，27（4），61-65.

[2]宋子龍.基于LabVIEW的背靠背電機(jī)牽引試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì). Diss.南京理工大學(xué)，2010.