永磁直驱风力发电机背靠背对拖试验系统及其应用

罗文哲

摘要：风能是一种以太阳为热源，以大气为工作介质的热能利用形式。风力发电是一种可再生的清洁能源，符合能源技术发展趋势，得到世界上绝大多数国家的扶持，发展迅猛。风力发电机组是将风能转换为机械能驱动发电机发电，最终输出交流电的电力设备，可单机直接供给用电设备，也可并网输送到用电集中地区。

1 前言

风力发电机组的最新型技术是变桨调速，有双馈型和直驱型两种机型，直驱机组因其优势明显，在海上大功率风力发电中占据主导地位。永磁直驱风力发电机因其转速低、体积大、造价高等特点，在制造厂的试验测试与常规发电机不同，本文详细介绍其试验原理、试验系统及其应用。

2 直驱型风力发电机组工作原理及优势

直驱型风力发电机组由叶轮直接驱动永磁直驱风力发电机（系统图见图1），具有以下独特优势：

（1）直接驱动，系统组成设备少，可靠性高，运行维护成本低;

（3）无齿轮箱，提高了效率，降低了噪音;

（4）无稀油润滑，无漏油隐患，清洁环保;

（5）全功率变流器完全将机组和电网隔离，可实现对电网有功、无功的灵活控制，并且易实现低电压穿越，保障电力安全。

3 试验原理

永磁直驱风力发电机试验按照机电设备和GB/T25389.1、GB/T25389.1、NB/T31012等永磁风力发电机标准中型式试验、出厂试验的试验项目和试验方法进行。

永磁直驱发电机转速低、体积大、造价高，无法像常规发电机那样，用已试验合格的专门测试机和变流器固定在试验台上，对新制造的待测试发电机进行全功率试验。基于此，提出了背靠背对拖试验方法，其原理是使用两台新制造的待测试发电机产品，配套产品变流器，互相作为测试机和被试机，完成试验项目。

根据这一试验原理，试验站只需配备：

（1）试验平台、监测仪器和分析系统;

（2）必要的模拟风场条件的设备;

（3）具有并网功能的电控设备;

（4）连接电缆。

4 背靠背对拖试验系统

背靠背对拖试验一次电气系统图如图2，本试验系统适用于1.5MW～6MW、输入电压为690V、永磁直驱风力发电机的出厂试验和型式试验。试验站高压系统母线由专门的1000kVA、690V变压器供电，低压系统由厂用电提供。

本试验系统实现了产品试验节能要求，设计有电力回馈电路：两路总授电其中一路接入高压母线，为相应等级高压变流器供电，经能量转换后反馈会高压母线，实现产品满负荷试验的能量回馈节能要求。试验开始时，DHG柜开关断开，以电动机状态运行的电机拖动以发电机状态运行的电机运行，满足并网条件后，合DHG柜开关，发电机能量回馈到高压母线，达到节能目的。

对被试产品，设输入输出测量柜。电压测量采用LEM LV100-3500/SP2电压传感器，精度为±0.9%;电流测量采用LEM LT4000-S/SP24电流传感器，精度为±0.3%。

计算机辅助试验系统完成试验设备监控、软操作及被试产品试验数据采集和数据处理。

本试验系统在建设时，电机和变流器使用被试产品，大幅度节省了投资成本。在试验中，两台电机互为被试产品，分别以电动状态和发电状态运行，对应设置变流器的相应参数即可，切换方便。

5 试验过程

5.1 设备固定与变流器水冷管路连接

（1）电机对组选用胶套联轴器软连接，见图3，图中右侧的风机模拟风场工况。一台发电机固定好，调整另一台发电机，要求两台发电机同轴，半聯轴器端面之间的距离为50mm。先进行单机平稳运行测试，测试合格后连接联轴器，进行带载测试。

（2）水冷系统管路以水冷控制柜为中心，去变流器一个回路，去散热器一个回路，两个回路之间有三通阀调节冷却液流量大小。散热器的3个冷却风扇根据温度设定值轮流启动工作;当冷却液温度降到下限设定值时，风扇停机。水冷控制柜的4个管路接口为卡箍式，变流器、散热器各2个管路接口为法兰式。

（3）水冷系统的冷却液须符合变流器厂家提供的技术要求，可用纯净水添加防锈剂、乙二醇（寒冷地区）来配置。流量计安装在变流器进水管路中，安装点两端各有至少500mm平直管。管路中初次加注冷却液会产生气泡，气泡在压力的作用下可由管路最高处的自动排气阀门排出。

5.2 电气连接

（1）按照电气接线图及电气接线规范连接发电机、变流器与变压器之间的动力电缆，相序要正确，标识要清楚。电缆全部走电缆沟，动力电缆和信号电缆分开铺设。滤波器、低电压穿越模块运行时发热较大，半米范围内不应有其他设备。

（2）变流器与低电压穿越模块之间的接线、滤波器与发电机之间的接线按接线图正确连接。滤波器前端安装熔断器，熔断器前端并接在发电机主电缆上。低电压穿越模块连接在变流器过压保护模块下端的U、V、W连接排上，“+”接在变流器直流母排“+”上。为便于试验操作，将变流器端子上的startenable、emergencystop、resent用机械开关引出。

（3）水冷控制柜中的循环泵电机电源为AC380V，用4mm2电缆;控制部分电源为AC220V，用1mm2屏蔽电缆。

（4）所有电气设备外壳、电缆屏蔽层可靠接地，安全接地、工作接地和电磁干扰接地必须分开单独连接。

（5）电气接线时，螺母使用力矩扳手按照手册给定的螺栓拧紧力矩值紧固，确保接触良好。

5.3 试验过程

（1）准备工作

试验人员提前熟悉试验大纲内容，试验目标明确，掌握试验操作要领;测试计量仪器仪表已经过校准，量程适当，显示准确，精度满足要求。

（2）试验测试

试验项目和方法按照国家标准和试验大纲。其中，重点项目是单机平稳运行试验、联机后的负载试验、温升试验、并网试验。

（3）记录数据

根据试验大纲和试验目标要求，在数据记录表格上记录-原始试验数据。数据要求真实、准确，且同一组数据同步采集。

（4）编制试验报告

试验报告项目和内容根据国家标准或者企业标准确定，出厂试验、型式试验以及专项试验分别按照标准的试验报告模板编制。

5.4 总结

在试验过程中，由于准备工作不充分，或者是单机測试项目遗漏，给联机带载测试带来许多障碍，总结如下：

（1）试验项目和方法严格按照国家标准或企业标准，试验过程严格按照试验大纲。专项试验方案须反复斟酌，从原理到实操进行论证，不能用尝试性的试验方法进行试验。

（2）试验前须测试电机冷态绝缘电阻，与设计值比较是否有变化;必要时可根据JB/T 5811-2007 第 12 项“电机应能重复工频耐压试验和冲击耐受电压试验”，重复做一次冲击耐受电压试验;若电机放置时间过长，应进行烘干处理，绝缘电阻值不低于500MΩ。

（3）变流器在连接到电机前须复测输出频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、波形畸变（谐波）、du/dt等。

（4）水冷系统的进出口水压和温度须符合技术文件要求，管路无泄露，压力能保持。

（5）变流器与电机配合进行单机平稳性试验时，监测电机绕组和轴承温度变化，用示波器记录拖动变流器输出侧电压电流。

（6）单机运行时，变频器参数设置正确，电机状态参数显示正常，方可对组测试联机试验项目。

6 结语

提出了永磁直驱风力发电机系统的功率控制策略.对该系统进行背靠背对拖试验.结果表明，仿真结果与试验波形一致，验证了该功率控制策略可有效控制输入到电网的有功功率和无功功率，能充分利用风能.

参考文献：

[1]王刚毅，肖强晖，朱广辉，邓琛，向述平，&张陈虎.（2013）.永磁直驱风力发电机功率控制的研究.湖南工业大学学报，27（4），61-65.

[2]宋子龙.基于LabVIEW的背靠背电机牵引试验平台设计. Diss.南京理工大学，2010.