风力发电变桨加载系统的研究与设计

甘敬松，刘炳锋

GAN Jing-song1, LIU Bing-feng2

（1. 武汉数字工程研究所，武汉 430074；2. 华电郑州机械设计研究院有限公司，郑州 450009）

0 引言

兆瓦级变速恒频风力发电系统中电动变桨技术是关键技术。变桨距是指大型风力发电机安装在轮毂上的叶片借助控制技术和动力系统改变桨距角的大小从而改变叶片气动特性，使桨叶和整机的受力状况大为改善[1]。变桨伺服控制系统作为风力发电控制系统的外环，在风力发电机组的控制中起着十分重要的作用。它控制风力发电机组的叶片节距角可以随风速的大小进行自动调节。在低风速起动时，桨叶节距可以转到合适的角度，使风轮具有最大的起动力矩；当风速过高时，通过调整桨叶节距，改变气流对叶片的攻角，从而改变风力发电机组获得的空气动力转矩，使发电机功率输出保持稳定。

变桨系统对三个变桨电机的速度跟随和位置跟踪要求极高，电机空载情况下无法准确判断变桨电控系统是否达到设计要求。本文设计了一种基于直流发电机加载方案用来检测和评价变桨系统的控制效果。其能够在三个变桨电机轴上同时加载模拟因桨叶负荷和风力负荷而产生的力矩，亦可以模拟突然的暴风环境下的负荷加载情况。在3000rpm情况下扭矩可以达到95.5Nm，1500rpm以下恒扭矩191Nm，可以满足3MW风机变桨系统额定风况和突然暴风环境下的模拟测试。

1 加载系统介绍

目前应用较为广泛的加载系统是传统的水力、电涡流加载方案。水力、电涡流方案的基本原理是将被测试设备产生的机械能转化为热能由水冷却后把热量带走，被测试设备发出的能量不能回收，转换过程中亦需要耗费能量。

直流发电机加载方案则可以把测试设备产生的机械能转换成电能回馈到内部电网，供其他设备使用。加载前，先给直流电机励磁绕组施加恒定励磁电流，在电机气隙中建立主磁场。起动被测试变桨系统电机，在起动瞬间，电机处于静止状态，直流电机处于电动状态下工作，其电磁力矩作为被测试变桨电机的阻力矩，同时通过整流逆变器给直流电机投入电枢电压，调节电枢电压的大小可以控制施加于被测试变桨电机的启动力矩大小。加载时随着电机转动，直流电机由反向电动状态过渡到发电状态，发电运行时电枢上的转矩方程为：

式中，φ为气隙磁通，它受励磁电流和电枢电流的影响，因而在励磁电流不变的情况下，可以通过调节直流电机电枢电流Iα来调节转矩，直流电机与被测试变桨电机同轴旋转，选择直流电机励磁电流的方向，使直流电机产生的力矩方向与被测试变桨电机转动方向相反，则可实现对变桨电机的加载[2]。

该加载平台结构如图1所示，测控系统组成如图2所示。

图1 加载平台结构简图

图2 测控系统框图

该加载系统的主要功能与特点有：1）加载装置部分——整流逆变器的性能先进、可靠，技术水平达到国内领先水平；2）系统依靠计算机采集数据，软件分析，使用易操作、易维护；3）加载方式为直流电机反馈加载方式，具有显著的节能效果；4）加载特性从零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为恒功率特性，完全符合动力机械的负载特性，实现了对变桨电机的零转速加载，模拟变桨电机实际负荷工况；5）该系统不仅可以方便的实现双向加载而且可以作为动力倒拖原动机，即作为加载设备时以恒流控制，作为原动机时以恒速控制。

2 系统硬件配置

2.1 电源部分

由于每台直流加载电机功率为30kW，三台功率接近100kW，为防止全功率情况下对其他用电器的干扰，需考察电网容量，安排专门的接线柜。另外，由于系统中有许多的变频整流设备，为防止对测量信号的干扰需严格遵循EMC走线方式和选用屏蔽电缆。

2.2 直流加载部分

图3 软件工作流程图

直流加载部分包括直流电动机、整流逆变器。根据系统回馈的需要选用直流机为加载主机，调节励磁完成加载设定。整流逆变器采用西门子全数字直流可逆调速装置，既可以作为直流调速装置为直流电机调速，又可以作为具有稳流特性的逆变装置，将直流电机发出的电能反馈到电网。

2.3 测控部分

测控部分主要包括转速、转矩、频率检测系统。采用现场总线结构，执行命令由工控机发出，通过现场总线传送到整流器，由它执行动作。数据采集器安装在联轴器上，通过现场总线汇总到工控机和仪表柜，从而供系统计算、分析、显示及打印。

3 系统软件设计

试验系统软件设计采用以Windows系统为操作系统的可视化开发语言Delphi7.0。采用窗体式控制和友好的操作界面，对数据采集控制系统采集的各种信号量进行数据处理及分析，得出相应的数据报表及拟合曲线，根据开关量输人、输出控制和自动诊断试验系统，对所有相关的设备进行启停控制，其工作流程图如图3所示。

软件在对采集数据进行处理过程中，针对监测、监控的关键量采用多线程处理，以提高试验精度，并在软件界面上进行实时监控显示。为方便对多路数据的管理，该系统中利用Delphi内嵌数据库来实现系统参数、测定数据及处理分析数据的分层管理。为了保证系统的安全运行，软件对输入的关键开关量进行实时判断，据此调用相应的中断处理子程序，主界面如图4所示。

图4 主界面图

4 结束语

本加载系统采用直流发电机加载方式，系统由工控机自动测试，通过对变桨电机电控系统的实际使用表明，性能先进可靠，自动化水平高，操作简便，易维护，节能率高。本加载系统的建立为变桨系统的开发提供了可靠的测试平台。

[1]Xin Ma. Adaptive extremum control and wind turbine control.PhD thesis.Technical University of Denmark.1997.

[2]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2005.