王 迪,常 山,杨 龙
(中国船舶重工集团公司第七〇三研究所,黑龙江 哈尔滨 150078)
我国风能储存总量极其丰富,风能清洁环保无污染,因此风力发电是当今新能源开发价值最高的领域。相比陆地发电,我国拥有18 000千米长的大陆海岸线,可利用海域面积300多万平方千米。海上发电空间广阔,风速波动小,工作时间长。我国海上发电多建造在东南部沿岸滩涂和近海领域,沿海省份人口稠密,经济发展快,用电量大,同时发电运输更加便利。
现今主流的变速恒频双馈感应发电系统,在电网与发电机之间加入变流器,由此使得风轮可以变速运行。在主齿轮箱和发电机之间加入一个无级调速的行星齿轮调速装置适应风轮的变速运行工况,并且使用了和常规火电、水电机组一样的恒速恒频同步发电机,采取了与早期恒速风力发电机组感应发电机同样的直联电网的方式。这种新型液力调速装置实现变速输入恒速输出,具有发电品质更高、对电网冲击小的优点。
采用液力调速装置海上发电并网机组的工作模式一般分为4个环节,如图1所示。A到B段:风速达到切入发电风速,风力机起动加速直到并网同步;B到C段:风速低于额定发电风速,调节风轮转速获得最佳叶尖速比,跟踪最佳风能利用系数;C到D段:接近额定功率风速区的恒速控制,调节液力变矩器的导叶开度使得行星液力调速装置恒速输出;D到E段:随着功率增大,发电机和变流器达到其功率极限,调节桨矩角,限制输出功率[1 - 2]。
在海上风力发电机组中,输出到发电机组恒速1 500 r/min,风力发电机组叶轮转速允许在一定范围内进行变化,发电机组只需控制载荷转矩。在最佳叶尖速比下,风能利用系数最大,就是说叶轮可以实现最大风能捕获。这用来说明具有同直径的变速风力发电机组可以比恒速风力发电机组获得更多能量[3]。液力调速传动系统原理如图2所示。
图1 变速运行海上风电机组功率特性Fig.1 Variable speed operation of offshore wind turbine power characteristics
图2 行星液力调速传动系统原理图Fig.2 Principle of planetary hydraulic speed control drive system
1)装置的输出转速
旋转轮系运动方程
固定轮系运动方程
固定轮系的齿圈转速即为旋转轮系齿圈的转速为
2)液力变矩器转速比与装置传动比的关系
由固定轮系运动方程(5)可得:
1)液力变矩系数
2)液力变矩器传动效率效率
1)固定轮系
根据固定轮系和旋转轮系构件间的连接关系,固定轮系齿圈和旋转轮系的齿圈作用转矩之间有如下关系:
3)装置输入轴转矩
装置输入转矩为
1)液力变矩器泵轮输入功率占装置输入功率的比例
2)液力变矩器涡轮功率占装置输入功率的比例
3)装置总体传动机械效率
根据前面对风轮与液力调速装置匹配工作的分析,得到液力变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩间的关系为:
变矩器涡轮输出转矩与风轮转矩是标准的比例关系,而涡轮转速与风轮转速的关系则是一条负斜率直线的关系,即随着风轮转速的增大,风轮转矩增大,而液力变矩器涡轮输出转速则降低,涡轮输出转矩也增大。参考某典型的海上风轮特性曲线,采用以上关系式可以计算对应的液力变矩器输出工况点参数。得到适应风力机工况的液力变矩器输出特性曲线如图3所示。
图3 对应风轮工况液力变矩器涡轮输出特性曲线Fig.3 The turbine output characteristic curve of hydraulic torque converter in the wind condition
这种典型工况计算得到的特性曲线正是液力变矩器近似双曲线特性的特征,也正是液力变矩器本身自动适应性的体现。作为流体机械,液力变矩器的输出特性与风轮转子转速—转矩特性相吻合,将两者配合起来使用再理想不过。
采用液力调速装置技术的海上风力发电系统的同步发电机直接接入电网,恒速风电机组的异步发电机没有任何的附加控制系统,其特性完全是由其自身的电磁转矩转速特性决定的。采用液力调速装置技术的机组也是一类发电机恒速的风力发电形式,保持同步发电机的恒速运行也不会附加其他的控制环节,依靠的是同步发电机自身的工作特性及励磁调节特性。通过液力调速齿轮系统的运动学分析可以得出同步发电机转速与变矩器涡轮输出转速和风轮转速的关系:
从这个关系式出发,实时调节变矩器涡轮输出转速变化的风轮转速保持恒定的发电机输入转速是很自然的控制思路,并且液力调速装置的主控回路要有涡轮输出转速的采样反馈。实际的液力调速装置中,液力变矩器的导叶开度则专设一个位移传感器,主控回路为导叶开度的反馈控制,变矩器涡轮输出转速不是采样值而是一个计算值。涡轮转速的关系:
因此,以系统运动分析得出的发电机转速关系为根据而认为的直观控制思路应该放弃。可以这样讲,同步发电机或感应发电机直接接入电网是恒速运行的风力发电机组。在采用液力调速齿轮技术的风力发电机组中,液力变矩器的导叶调节并不参与同步发电机的恒速控制。
液力调速装置的海上风电控制系统主要控制3套回路:变桨距角调节、液力变矩器导叶开度调节和发电机励磁调节。变桨距角调节是额定风速以下优化桨距角运行,额定风速以上,变桨距控制限制风能获取,维持额定发电功率;相关控制信号有风速、风轮转速、桨距角、功率和发电机转速。液力变矩器导叶开度调节是调节变矩器涡轮输出特性(转矩、转速),适应跟踪发电机组目标功率曲线风轮工况的调整;相关控制信号有导叶开度、风轮转速、功率和发电机转速。发电机励磁调节是提供发电机转子线圈励磁电流,保持发电机输出端电压稳定,调节系统无功功率;相关控制信号有励磁电压、电网电压、发电机频率[6]。原理如图4所示。
图4 采用液力调速装置的海上风电控制系统Fig.4 The offshore wind power control system using hydraulic speed control device
采用液力调速齿轮技术的海上风电系统属于风轮变速运行的风力发电机组,其控制的基本思想理论上仍然是取得最佳叶尖速比,获得最大风能利用系数,跟踪目标功率曲线的控制策略。液力变矩器的导叶调节并不参与同步发电机的恒速运行控制,液力变矩器导叶开度参考信号是基于平衡输出端扭矩给出的。
图5 风力机目标转矩(转速特性)Fig.5 Target torque for wind turbine(speed characteristic)
导叶可调式液力变矩器外特性如图6所示。由风力机与液力调速装置匹配工作分析得到液力变矩器涡轮转速()与发电机转速()和风轮转速()的关系为:
涡轮输出转矩与风轮转矩的关系为:
图6 导叶可调式液力变矩器外特性Fig.6 Target torque for wind turbine(speed characteristic)
发电机的转速由电网、同步发电机工作特性确定同步,针对风力机运行工况采样得到的液力调速装置输入转速()可确定风轮转速:,从而液力变矩器涡轮输出转速可定:
适应风力机运行工况液力变矩器的涡轮输出转矩可由风轮目标转矩确定:
液力调速装置运行中液力变矩器导叶开度的调节控制类似于做导叶可调式液力变矩器的特性试验,导叶调至某一开度,风轮对液力变矩器涡轮实施加载操作,在调节涡轮输出转速的情况下,“读出”液力变矩器涡轮输出转矩。
图7 导叶可调式液力变矩器原始特性Fig.7 The original properties of the torque converter with adjusting guide vane
稳定工况下,旋转轮系中太阳轮上的转矩平衡关系为:
由液力调速装置传动系统的旋转轮系中心中太阳轮转矩与涡轮转矩之间的关系式
得到发电机轴上的作用转矩:
采用液力调速齿轮技术的风力发电机组,风轮转速与发电机转速的关系为
1)液力调速装置的旋转行星齿轮叠加了2种可变转速来实现恒定的输出转速,应用在同步发电机中,实现变化的风速输入恒速1 500 r/min输出并网发电。
2)海上风力发电机组在风速达到切入风速时开始发电,桨叶角跟随最佳风能利用系数开始变化,接近额定风速开始恒速控制。到达海上风力发电功率极限时,调节桨叶角使得实际发电功率不超过发电机组极限。
3)同步发电机或感应发电机直接接入电网就是恒速运行的海上风力发电机组。在采用液力调速齿轮技术的海上风力发电机组中,液力变矩器的导叶调节并不参与同步发电机的恒速控制。
4)通过数学模型分析出海上风电风力机特性、同步发电机功角特性与液力变矩器输出参数、液力调速装置输出参数的数学关系。