洋流发电机组励磁转矩辅助制动系统设计

王国亮

(上海电气风电设备有限公司,上海　200241)



洋流发电机组励磁转矩辅助制动系统设计

王国亮

(上海电气风电设备有限公司,上海200241)

通过对洋流发电机组与风力发电机组进行对比分析，并根据洋流发电机组运行环境的特点，指出了传统制动方式存在的问题。简要介绍了根据电机运行制动原理，通过对洋流发电机组励磁转矩的控制来实现辅助制动功能的设计思路，以弥补传统制动方式所存在的不足。

洋流发电机组；励磁转矩；辅助制动

0　概述

洋流是具有相对稳定的流速和流向的大规模海洋运动。洋流主要由风对洋流的摩擦力和压力、海洋内部的压力和摩擦力、海水盐度差异所造成的力、地球自转、星体引力等综合作用形成的。在距离大陆板块附近，水深在0～100 m的海洋区域，形成了可以开发利用洋流资源的区域。中国海洋处在亚欧板块的大陆架区域内，蕴含着大量的洋流资源，据测算沿海洋流的年平均功率理论值约为1.4×108kW，属于世界上功率密度最大的地区之一[1]。

随着全球气候变化的不断恶劣及国内雾霾天气的不断加重，国家越来越重视绿色能源的开发利用，海洋能源作为绿色能源开发的一个主要领域也越来越受到重视。海洋能源中蕴藏的大量的洋流资源为洋流发电技术的开发利用提供了动力。从宏观上看，洋流发电技术将十分有利于国家能源和海洋战略的推进。洋流发电可以配套我国深海石油、天然气钻探开采工程，成为海上设施的动力源。同时，洋流发电还可以为中国广阔的海洋岛屿、岛礁提供电力，有利于保卫海疆，开发深海资源。另外，洋流发电还可以利用海上风电、石油钻井平台的基础，进行能源的综合开发。

洋流发电机组的设计与风力发电机机组的设计存在着某些相似性，但在洋流发电机组的设计中，由于海水密度大，流体能量大，在流速较大时发电机组常常会出现过速问题，因此洋流发电机组制动系统的设计是洋流发电机组设计中的一个重点。

1　传统制动方式存在的问题

目前，在洋流发电机组的设计中，因海水密度远远大于空气密度，海水密度约为空气密度的800～1 000倍，因此根据流体功率公式[2]：

式中：P为流体功率，kW；ρ为流体密度，kg/m3；v为来流速度，m/s；A叶轮扫掠面积，m2。

当叶轮扫掠面积A相同时，因ρ水/ρ空=800～1 000，因此洋流发电机组捕获的流体功率是风力发电机组的800～1 000倍。为此和风力发电机组的叶片相比常把用于洋流发电的叶片设计的比较短小如图1和图2所示，这样使得叶轮的转动惯量就大大减小，但由于海水密度大，流体能量大，在流速较大时发电机组常常会出现过速，目前对这种过速制动一般有机械式制动和变桨矩制动两种制动方式，但这两种制动方式均存在着不足之处。

1.1机械式制动存在的问题

由于海水密度相对较大，即使叶轮较小其叶片获取的转动力矩仍较大，如果在高转速下采用机械式的摩擦刹车极易造成过热起火的危险。一般机械式制动均用于低速时辅助变桨制动， 即在

图1　洋流发电机组示意图

图2　海上风力发电机组

叶片顺桨不够或风轮需要完全静止时，才使用机械式制动。但由于转动力矩较大，短时间内不能刹住车，且刹车盘磨损严重增加维护成本。

1.2变桨矩制动存在的问题

此方法虽然没有机械式制动磨损及过热的危险，但是因变桨控制特性的约束，其变桨速度较慢，因此响应时间较长，导致发电机转速在一段时间内持续上升，将使发电机较长时间处于过速状态从而易损坏发电机和传动轴系等机械结构。

2　励磁转矩辅助制动系统设计

为克服传统制动方式响应时间长的缺陷，根据电机运行时的制动原理[3]，介绍了一种洋流发电机励磁转矩辅助制动系统设计思路，同时提供了上述辅助制动系统的工作方式。在洋流发电机组正常制动过程中，通过向电机提供额外的励磁阻转矩达到快速平稳安全的制动效果，加快发电机组制动响应速度。

2.1励磁转矩辅助制动系统的设计方案

洋流发电机励磁转矩辅助制动系统，是由依次相连的速度检测传感器、控制器、变流器组成，如图3所示，其速度检测传感器与发电机相连以检测发电机的过速情况，并将数据传给控制器；变流器与控制器及发电机相连，可按照控制器发出的信号调整发电机的励磁电流大小以及励磁方向。

1.发电机；2.速度检测传感器；3.控制器；4.变流器图3　励磁转矩辅助制动系统

2.2励磁转矩辅助制动系统的工作方式

励磁转矩辅助制动系统，对于异步鼠笼发电机和同步发电机而言，变流器与发电机的定子相连；对于异步绕线发电机而言，变流器与发电机的转子相连。

2.2.1异步发电机控制

结合图3所示，发电机1为异步发电机的情况下，发电机1过速时正常将处于回馈制动状态，控制器3在收到速度检测传感器2的电机过速信号后，通过变流器4在发电机1可承受范围内增加发电机1的励磁电流，以降低磁场旋转频率，使励磁阻转矩变大，加快发电机组制动速度。

以上所述的异步发电机控制在针对异步鼠笼发电机时，控制器3在收到速度检测传感器2的电机过速信号后，也可以在传动轴可承受的扭矩条件和变流器4可承受的功率条件下，短时间使发电机1的励磁方向与发电机1的旋转方向相反，通过这种方式加大励磁阻转矩，加快发电机组制动速度。

2.2.2同步发电机控制

同样结合图3所示，发电机1为同步发电机的情况下，控制器3在收到速度检测传感器2的电机过速信号后， 在传动轴可承受的扭矩条件和变流器4可承受的功率条件下，通过变流器4控制发电机1的励磁方向与发电机1的旋转方向相反，以加大励磁阻转矩，加快发电机组制动速度。

3　结语

本文所述的洋流发电机组励磁转矩辅助制动系统设计，是通过采用特定的控制策略，利用发电机组现有部件，在洋流突然出现较大流速时向发电机提供额外的励磁阻转矩，短时间内加速发电转换效率，限制电机转速的增加，配合常规制动系统实现快速制动。以极低的成本实现了发电机组制动性能的较高提升，能有效降低发电机组电机及常规制动系统的故障率，减少维护维修费用。同时该辅助制动系统还能在出现湍流现象时快速的调节制动转矩以达到稳定转速的目的，能有效提高发电机组运行的稳定性及可靠性，提高发电效率。

[1]刘小龙，侯樱，赵文峰．海流发电机的发展和应用[J]．能源工程，2008(6)：20-23．

[2]姚兴佳．风力发电机组理论与设计[M]．北京：机械工业出版社，2013.

[3]周绍英．电力拖动[M]．北京：冶金工业出版社，2002．