基于液力变矩的直耦型同步风力发电机应用分析

王军伟

（兰州电机股份有限公司，甘肃兰州730050）

基于液力变矩的直耦型同步风力发电机应用分析

王军伟

（兰州电机股份有限公司，甘肃兰州730050）

摘要：液力变矩直耦型同步风力发电机组，基于Windive液力变矩器柔性调速控制策略，将变化的风轮机输出转速转换为恒定的发电机输入转速，使三相同步发电机获得稳定的同步转速，实现与电网的直接耦合。同步发电机采用电励磁方式，通过改变励磁电流来调节发电机的无功输出，根据电网需求提供无功支撑。消除了传统变流器耦合并网对电网造成的谐波污染，提高了电能质量品质以及无功平衡调节能力。

关键词：液力变矩；同步；直接耦合；风力发电机组

1　引言

近年来，国内风力发电行业迅速发展，2008年以来，各发电企业竞相投入风电系统，将风电投资建设推向高潮。但就国内市场而言，主流机型主要有两种：双馈型风力发电机组和直驱型风力发电机组。无论是变速恒频双馈异步风力发电机组，还是直驱型风力发电机组，都不能与电网直耦并网，需要变流器耦合并网输送电能。

液力变矩恒速三相同步电励磁直耦型风力发电机组，是基于德国某公司WinDrive液力变矩器的新型机组，控制上采用WinDrive WCU控制器柔性调速控制策略，将风轮转速变化的转矩转化成输出转速恒定的转矩传递给与其同轴连接的发电机，实现同期并网发电。该机组也具备无功功率调节能力，可以满足电网的无功平衡。与传统风力发电机组相比，该机组的优点在于取消了变流器耦合，风场也可以不配置SVG无功补偿装置，提高了上网点的电能质量品质，减小对电网的谐波污染。

2　机组的基本组成及原理

2．1机组传动系统的基本组成

液力变矩直耦型同步风力发电机组由风轮变桨系统、增速齿轮箱、Windrive液力变矩器、三相无刷电励磁同步发电机4大部分组成。机组基本结构如图1所示。

图1　结构示意图

2．2风机的基本技术参数

机组：额定容量2000kW、切入风速4．5m／s、额定风速12m／s；

风轮变桨系统：风轮直径93m、额定转速16．35rpm；增速齿轮箱：传动比1：28．44；

Windrive液力耦合器：输入转速范围373rpm－483rpm、输出转速1500rpm；

同步发电机定：容量2222kVA、额定电压690V、频率50Hz、功率因数±0．9、4极、额定转速1500rpm，自动电压调节器选用UNITROL1020。

2．3机组的基本原理

风轮系统根据实时风速最大限度的捕获风能，并将风能转换成旋转机械能传递给增速齿轮箱。由于风速的实时变化使风轮的转速随之变化，相应的增速齿轮箱的输出转速也随之变化，正常情况下输出转速在373rpm－483rpm范围内变化。这就需要Windrive液力变矩系统来完成恒速控制，输出稳定的同步转速驱动发电机实现同期并网。其基本控制原理如图2所示。

图2　机组的控制原理简图

图3　 Windrive液力变矩器控制系统框图

当风机控制系统检测风速达到切入风速时，首先将信息发送给变桨系统，变桨系统接收到开机指令后调节桨距角β启动风机并实时检测风轮转速。Windrive控制单元WCU启动“Synchronisation”模式，根据风轮转速调节液力变矩器输出转速，同时UNITROL1020励磁调节器AVR启动“Sync”模式投入励磁，检测发电机的电压频率，检测值与网侧频率值运算得出频差Fbias信号，并将频差发送给Windrive控制单元WCU，WCU根据频差Fbias反馈调节液力变矩器的输出转速，使发电机转速接近同步转速（高于同步转速）。当AVR检测到频差Fbias在－0．4Hz至0Hz范围内时，检测其它同期条件符合设定要求后发送并网指令。

风机并网完成后，AVR随之转入功率因数模式，根据功率因数设定调节无功输出。WCU转入“Grid Operation”模式，跟踪检测发电机实时有功，根据预定风功率曲线调节有功输出，使风轮转速始终处于对应最大功率的捕获点附近，以便风机最大限度的捕获风能。

风机的风轮变桨系统、增速齿轮箱基本原理与传统机型基本相似，下面仅对Windrive液力变矩系统的控制原理及策略做简单介绍。

Windrive液力变矩器由两级行星齿轮增速机构、导叶可调式液力变矩机构和Windrive控制器WCU3部分组成。

由于风速的实时变化风轮机转速随之变化，Windrive控制单元WCU根据风轮转速传感器检测的转速信号，与液力变矩器的输出转速进行运算，其结果再与给定值相比较，偏差值经模糊PID控制器柔性环节处理、放大后驱动电动执行元件，调节导叶机构的开度改变涡轮转速，使液力变矩器的输出转速达到恒定，从而保证与其同轴连接的同步发电机获得恒定不变的输入转速。在转速恒定工况下，调节后的涡轮转速再与期望值相比较，用这个偏差计算电动执行元件伺服电机的转角信号Ф，通过不断的修正导叶开度来调节液力变矩器的转矩输出，使风轮转速始终处于对应于捕获风功率的最佳点附近，以最大限度的捕获风能。变矩器控制系统如图3所示，控制策略如图4所示。

图4 Windrive控制策略图

表1　风机功率特性计算与试验数据对比

3　机组的基本性能

3．1风机的功率曲线测定

根据风力机基本理论，风轮吸收功率为：

其中：P为实际获得的输出功率，kW；ρ为空气密度，kg／m3，标准空气密度一般取1．225kg／m3；A为风力机的扫掠面积，m2；Cp为风能利用系数；v为风速，m／s。

叶尖速比λ为：

其中：v为风速，m／s；n为风轮转速，r／min；R为风轮转动半径，m；

液力变矩直耦型同步风力发电机组的功率特性曲线经风场现场实地测试，数据如表1所示。

分析表明：在低风速区4．5m／s以下，基于Windrive液力变距器的风机并不能注重有功输出，4．5m／s－5．5m／s范围内风机的发出有功功率相对较低，10m／s以上风机发出的有功功率效率逐渐趋于最高。

低风速时，风轮理论计算功率小于实测功率，当风速大于10m／s时，风轮理论计算功率大于实测功率，这说明风能利用系数Cp理论取值与实际之间存在差异。在4．5m／s－11．5m／s运行区内，并不是每个风速点风能都能获得最大限度的利用，由于风能利用系数Cp与尖速比λ和桨矩角β有关，一般情况下，在接近β＝0°、λ＝6及β＝2°、λ＝7时风能利用系数Cp基本上接近最大。液力变矩直耦型同步风力发电机组在10m／s－11．5m／s区间尖速比基本也趋近这一最佳值，由此可见，该机型在10m／s以上其风能的可利用效率达到最高。

从风轮实测功率与发电机输出电功率数据比较可以看出，随发电功率升高风机传动链各组成部件及发电机的损耗、附加损耗也随之增加，这部分损耗主要转化成热能形式损失了。总体来说，机组功率在设计风速11．5m／s时，发电功率达到额定功率，各项性能指标满足设计要求。

3．2机组的无功调节特性

无功平衡能力是风机的一个重要性能指标之一。其它传统机型无功调节能力因受到变流器额定容量及发电机额定容量的限制，额定功率因数的取值一般为0．95，其无功容量非常有限。对于液力变矩直耦型同步风力发电机组，由于取消了变流器采用同步风力发电机直接并网输送电能，机组除了在额定无功容量范围内调节无功外，还具备与水、火电机组相同的无功调相能力。

按电机理论，同步发电机改变功率因数调相运行的容许范围受到P－Q特性曲线限制，其可发视在功率要小于电机额定视在功率。在迟相运行方式（过励）下，降低功率因数cosφ＜0．9运行时，为了让发电机多发出无功功率，转子励磁电流增加必须受到额定值的限制；提高功率因数cosφ＞0．9时，发出的有功功率受到风力机的额定功率限制，这时定子和转子电流均得不到充分利用。在进相运行方式（欠励）下，当发电机的励磁电流降低时，电磁转矩随之下降，如果输入机械转矩保持不变，机械转矩与电磁转矩平衡关系将被破坏，发电机转子必然加速使电磁功角δ增大，随着功角的增大电磁转矩也相应增加，机械转矩与电磁转矩会重新建立新的平衡，但其造成的结果是功角δ逐渐增大了。在某一恒定有功功率下，如果继续降低励磁吸收无功功率，而不减小有功功率，功角δ增大必将使电磁转矩越过静态稳定极限点，转矩失去平衡引起发电机失步。所以在减小励磁电流吸收无功功率的同时有功功率也要适当减小。

表2　 690V cosφ＝0时无功功率曲线

表3　 725V cosφ＝0时无功功率曲线

鉴于此情况，发电机调相运行工作点必须在P－Q特性曲线范围内调节，有必要对液力变矩直耦型同步风力发电机组发电机的无功功率极限边界进行测定。表2、表3所示数据是发电机在有功功率为零（cosφ＝0）、1．0Ue及1．05Ue电压下，发电机进相及迟相运行的无功调节特性。

数据表明，液力变矩直耦型同步风力发电机1．0Ue电压下进相运行吸收无功调节范围为－908．5kVar至0 kVar，迟相运行发出无功调节范围为0kVar－2022．1kVar；1．05Ue电压下进相运行吸收无功调节范围为－1066．6kVar至0 kVar，迟相运行发出无功调节范围为0kVar－1997．0kVar。试验表明该机型有较宽的无功调节范围，能够提供较大的无功功率，具备电网无功支撑能力。

3．3发电机的电能质量分析

为了满足电网电能质量要求，液力变矩直耦型同步风力发电机组的同步发电机做了相应的特殊设计。发电机采用正旋波气隙，这样发电机形成的气隙磁场就更加接近于正旋波，定子绕组采用分布短距形式，这些措施对消除发电机的谐波因素都是有利的。另外，由于发电机采用直耦并网，也不存在变流器的谐波影响。经测试TFFW2000－4发电机的总谐波畸变因数为0．5%，满足GB755－2008《旋转电机定额和性能》标准中谐波畸变因数小于5%要求。表4所示数据是发电机电压波形50次以下谐波因数的测试数据（未列入各次谐波值均为0）。

表4　 TFFW2000－4谐波畸变因数含量

4　结束语

液力变矩直耦型同步风力发电机组样机在某风场投入运行30个月以来，已经累计运行11223小时，发出总有功电量9789．86MWh，总无功电量1341．18MVarh。运行中通过不断地参数修正、优化处理，使机组的各项参数匹配均已达到最佳状态，目前机组运行稳定，故障率较低，电能质量好。经过对样机的运行实践，积累了充分的经验，为该机型今后进一步推向市场奠定了很好的基础，同时也为风电能源向清洁型、友好型发展提供了一种新的理念。

参考文献：

［1］姚兴佳，宋俊．风力发电机组原理及应用［M］．北京：机械工业出版社，2011．

［2］周双喜，鲁宗相．风力发电与电力系统［M］．北京：中国电力出版社，2011．

［3］风能评价及风电规划与并网［M］．北京：中国环境科学出版社，2012．

中图分类号：TM315

文献标识码：A

文章编号：1005—7277（2015）03—0017—04

作者简介：王军伟（1970－），男，甘肃宁县人，兰州电机股份有限公司电气工程师，长期从事电机与控制理论的研究，电机、风电机组的电气试验、安装调试等工程实践工作。

收稿日期：2015－03－06

Application analysis of hydraulic torque converter directly－coupling synchronous generator

WANG Jun－wei
（Lanzhou Electric Motor Co．，Ltd．，Lanzhou 730050，China）

Abstract：The hydraulic torque converter directly－coupling synchronous generator set is based on flexible speed regulating strategy of hydraulic torque converter，which can convert a variable output speed of wind turbine into constant speed，make three－phase synchronous generator keep constant speed to achieve directly－coupling with grid．The synchronous generator applies electric exciting mode，which can adjust reactive power output of the generator by changing exciting current and provide reactive power support by the requirements of the grid．The harmonic interference to grid resulted from traditional current converter can be eliminated．Therefore，the electricity quality and reactive power balance ability are greatly improved．

Key words：hydraulic torque converter；synchronization；directly－coupling；wind generating set