淺析電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)在火電機(jī)組及風(fēng)電機(jī)組中的應(yīng)用

孫紅梅，武劍，高明

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院，北京100029;2.北京京城新能源有限公司，北京100040)

蒸汽輪機(jī)作為傳統(tǒng)火力發(fā)電的主要機(jī)組，技術(shù)已經(jīng)非常成熟。以北重公司生產(chǎn)的330 MW機(jī)組為例，其電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)能完成各種規(guī)定的功能以對任何工況下的汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的控制，如:升速、同步、增減負(fù)荷、限制、甩負(fù)荷等。上述功能是通過高壓調(diào)節(jié)閥和中壓調(diào)節(jié)閥控制進(jìn)入高壓缸和中壓缸的蒸汽流量來實現(xiàn)的。

風(fēng)電作為新型的清潔能源，受到越來越多地方政府和行業(yè)企業(yè)的青睞。其中風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(這里以某公司生產(chǎn)的2 MW 變速恒頻機(jī)組為例)的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括:調(diào)節(jié)槳距角、偏航制動和主軸制動等。

1 蒸汽輪機(jī)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)之異同

1.1 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的硬件組成

蒸汽輪機(jī)的高壓缸進(jìn)氣通過4個調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)，中壓缸和低壓缸進(jìn)氣通過兩個截止閥來調(diào)節(jié)，每個閥門接收一個獨立的開啟指令。這些閥門的開啟和它們的閥位伺服控制是由DEH 電控系統(tǒng)發(fā)出指令，通過作用于閥桿上的牽引力來開啟，并通過一個單向動作的油動機(jī)來操縱。每一個油動機(jī)都由一個AEH控制，AEH是調(diào)節(jié)系統(tǒng)和油動機(jī)之間的電液轉(zhuǎn)換裝置[1]。其動作油源是一個12 MPa 運(yùn)行壓力的抗燃油系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過由一個隔離閥、一個止回閥、一個蓄能器和一個過濾器組成的供油塊與每個油動機(jī)相聯(lián)。

以上就是一個基本的蒸汽輪機(jī)結(jié)構(gòu)，其中調(diào)節(jié)閥、截止閥、DEH 電控系統(tǒng)、油動機(jī)、AEH、抗燃油系統(tǒng)為電液控制系統(tǒng)的六大類硬件組成。而對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)

從圖1中不難看出，該電液控制系統(tǒng)的控制、傳輸及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由下述對象組成:控制系統(tǒng)接收測風(fēng)儀表的數(shù)據(jù)，對風(fēng)速和風(fēng)向作出判斷，這將作用于偏航機(jī)構(gòu)、變槳機(jī)構(gòu)和變頻器系統(tǒng)[2]。偏航機(jī)構(gòu)由液壓控制的制動片組成，變槳機(jī)構(gòu)則是由液壓動作的主軸制動器、控制油缸、安全油缸(兩種油缸均為雙向動作)及其配置蓄能器組成。這是由一個16 MPa系統(tǒng)壓力的液壓站提供的油源。通過液壓站上的數(shù)個電磁閥對油缸及制動機(jī)構(gòu)實現(xiàn)協(xié)調(diào)。

1.2 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的軟件區(qū)別

經(jīng)過幾十年的技術(shù)引進(jìn)和消化吸收，蒸汽輪機(jī)的控制技術(shù)已經(jīng)完全為國人所掌握，像捷克、前蘇聯(lián)、歐洲及西屋技術(shù)流派已經(jīng)或正在被國內(nèi)的各大控制公司所終結(jié)。除占少量數(shù)字比例的超超臨界火電機(jī)組外，其余蒸汽輪機(jī)的電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)已經(jīng)完全國產(chǎn)化。對它們的研究已經(jīng)走向高端，國內(nèi)多家自動化控制公司已經(jīng)有了向國外輸出技術(shù)的能力和實力，而對于風(fēng)電控制技術(shù)，其軟件現(xiàn)狀卻任重而道遠(yuǎn)。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的控制技術(shù)和伺服傳動技術(shù)是其中的關(guān)鍵技術(shù)。風(fēng)的大小方向隨機(jī)變化，致使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的切入、切出、輸入功率限制、偏航對風(fēng)及運(yùn)行中的故障檢測和保護(hù)必須能夠自動控制。而無人值守的客觀條件下，其控制的可靠性要求可想而知。全新的變速恒頻技術(shù)引入到風(fēng)機(jī)控制中后，采用轉(zhuǎn)速控制和功率控制風(fēng)機(jī)的啟停性能和功率輸出特性有了顯著改善，電液伺服閥的應(yīng)用使得液壓系統(tǒng)從單純執(zhí)行機(jī)構(gòu)演變?yōu)閹ч]環(huán)的控制系統(tǒng)。幾十年的控制經(jīng)驗積累，風(fēng)機(jī)技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟。但所有這些都限于國外，技術(shù)封鎖這個詞在風(fēng)機(jī)行業(yè)里并不陌生，在風(fēng)機(jī)控制技術(shù)上，國外著名風(fēng)機(jī)制造商的封鎖程度是可以想象的。著名風(fēng)機(jī)制造商VESTAS 在經(jīng)歷技術(shù)轉(zhuǎn)讓而造就了一個強(qiáng)大的競爭對手之后，先進(jìn)的歐洲風(fēng)機(jī)控制技術(shù)就已經(jīng)無緣于中國人。國內(nèi)的大小幾十家企業(yè)靠生產(chǎn)許可引進(jìn)國外風(fēng)機(jī)制造技術(shù)，但核心的控制技術(shù)卻始終掌握在外國公司手中，而這帶來的直接困難就是:支出高額的技術(shù)轉(zhuǎn)讓費之后，還要長期支出高額的調(diào)試服務(wù)費用;短時間內(nèi)無法吃透控制技術(shù)，導(dǎo)致所有問題都需要外國專家來解決，滯后的節(jié)奏甚至成為了拖垮一個企業(yè)的根本原因。

如何才能擺脫困境，毫無疑問，國內(nèi)的電液調(diào)節(jié)自動化公司應(yīng)該勇于承擔(dān)這份工作，而風(fēng)機(jī)制造企業(yè)也應(yīng)積極開發(fā)軟件平臺。

1.3 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制策略差異

1.3.1 蒸汽輪機(jī)控制策略

(1)汽輪機(jī)為中壓缸啟動。所謂中壓缸啟動是指由沖轉(zhuǎn)開始直到機(jī)組帶到15%負(fù)荷，均由中、低壓缸完成，而高壓缸處于隔絕的狀態(tài)。滿足切缸條件后，進(jìn)行高壓缸切換，再由高、中、低壓缸帶到額定負(fù)荷，全過程自動化。

(2)為保證中壓缸啟動，必須配置高、低壓旁通系統(tǒng)，并與汽輪機(jī)并列運(yùn)行。高、低壓旁通系統(tǒng)功能:

①調(diào)節(jié)功能。為保證中壓缸啟動的參數(shù)，由高旁調(diào)節(jié)高壓進(jìn)氣的壓力和溫度(冷態(tài)4.0 MPa，380℃)，由低旁調(diào)節(jié)中壓缸的進(jìn)氣參數(shù)(冷態(tài)1.5 MPa，360℃)。液壓系統(tǒng)精度要求高。

②保安功能。汽機(jī)甩負(fù)荷時，或進(jìn)氣壓力過高時，快速打開高、低旁，避免進(jìn)氣壓力過高。

③回收工質(zhì)。汽機(jī)甩負(fù)荷，蒸汽由高、低旁進(jìn)入冷凝器，回收寶貴蒸汽，避免蒸汽排空。

(3)保護(hù)回路有液壓機(jī)械式危急遮斷器及電超速保護(hù)。

(4)火電電液控制原理如圖2所示。

圖2 火電電液控制原理

1.3.2 風(fēng)電控制策略[3]

根據(jù)空氣動力學(xué)中的貝茲(Betz)理論，一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)實際所捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械輸出功率Pm的表達(dá)式為:

式中:ρ為空氣密度(kg/m3)，R為風(fēng)輪半徑(m)，v為風(fēng)速(m/s)，Cp為風(fēng)能利用系數(shù)。

由上式可知:(1)若風(fēng)速v為常數(shù)，則Pm與風(fēng)輪半徑R2成正比，即為獲得較大的輸出功率，風(fēng)輪機(jī)要有盡可能大的半徑，即盡可能大的風(fēng)輪葉片掃掠面積。但大尺寸的風(fēng)輪勢必導(dǎo)致葉輪成本增加，而且安裝難度加大。(2)若風(fēng)輪半徑R為常數(shù)，P∝v3，于是要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)組要盡可能安裝在高風(fēng)速的地域，這則與自然條件有關(guān)。同一位置，高度越高，風(fēng)速越大，要求塔架應(yīng)用一定的高度。(3)風(fēng)輪功率與風(fēng)輪葉片數(shù)無關(guān)，但與空氣密度成正比。(4)較大的風(fēng)能利用系數(shù)Cp，可提高風(fēng)輪功率。風(fēng)能利用系數(shù)Cp不是一個常數(shù)，理論上其最大值為0.593，也稱為Betz 極限，它隨風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速及葉片參數(shù)(如槳距角β 等)的變化而變化，通常，Cp=Cp(β，λ)，這里的λ 定義為葉尖速比:

λ=Rω/v

風(fēng)輪的最高效率在λ=5～8之間，R是風(fēng)輪半徑，v是風(fēng)速，ω是風(fēng)輪角速度。根據(jù)風(fēng)機(jī)特性，Cp是λ的非線性函數(shù)，對應(yīng)不同風(fēng)速，均有某一相應(yīng)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速下的最大值，為實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲，風(fēng)機(jī)需要根據(jù)風(fēng)速實時調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以跟蹤功率曲線的最大值。

由以上公式可知:在風(fēng)速給定的情況下，風(fēng)輪獲得的功率取決于功率系數(shù)。若在任何風(fēng)速下都可以保持在Cpmax點運(yùn)行，便可獲得最大的輸出功率。即只要使得葉尖速比λ=λopt，就可獲得最佳的功率系數(shù)。這就是變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的目標(biāo)，按照恒定的Cp(或恒定的λ)控制風(fēng)機(jī)，直到轉(zhuǎn)速達(dá)到最大極限，然后按恒定轉(zhuǎn)速控制機(jī)組，直到功率最大，最后按恒定功率控制機(jī)組。

這樣，就把風(fēng)機(jī)的運(yùn)行過程分為3個階段:

(1)啟動階段。處于切入轉(zhuǎn)速以下，不作控制。

(2)額定風(fēng)速以下區(qū)域。理論上講，風(fēng)機(jī)可以依據(jù)風(fēng)速變化按照任何轉(zhuǎn)速運(yùn)行，以獲得最大能量，但基于轉(zhuǎn)速限制(機(jī)械限制)，需要其只運(yùn)行在Cp恒定區(qū)，即追蹤C(jī)pmax曲線。改變槳距角會迅速降低Cp，因此在低風(fēng)速段加入變距調(diào)節(jié)是不合適的。

圖3 Cpmax曲線

Cp恒定區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組受到給定的功率－轉(zhuǎn)速曲線控制。Popt的給定參考值隨轉(zhuǎn)速變化，由轉(zhuǎn)速反饋算出。Popt以計算值為依據(jù)，連續(xù)控制發(fā)電機(jī)的輸出功率，使其跟蹤Popt的曲線變化。用目標(biāo)功率與發(fā)電機(jī)實測功率的偏差驅(qū)動系統(tǒng)達(dá)到平衡。如圖3所示。

轉(zhuǎn)速恒定區(qū)，保持Cpmax恒定，即使沒有達(dá)到額定功率，發(fā)電機(jī)最終將達(dá)到其轉(zhuǎn)速極限，此后風(fēng)機(jī)進(jìn)入轉(zhuǎn)速恒定區(qū)。即隨著風(fēng)速的增大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，功率則繼續(xù)升高直至額定。以額定轉(zhuǎn)速為給定值，與實測轉(zhuǎn)速形成閉環(huán)，控制系統(tǒng)按轉(zhuǎn)速控制方式工作[4]。

(3)額定風(fēng)速以上區(qū)域。即功率恒定區(qū)，以額定功率為給定值，與實測功率形成閉環(huán)控制，以追蹤額定功率曲線。這時作者加入了變槳距控制，但由于功率限制(電氣限制)，使得風(fēng)機(jī)只能運(yùn)行在功率恒定區(qū)。變槳距控制的目的在于限制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)輸出功率。由于槳距角與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)輸出功率為強(qiáng)非線性關(guān)系，因此其控制規(guī)律很難把握，這給槳距角控制帶來了困難[5]。

變槳距控制系統(tǒng)實際上是一個隨動系統(tǒng)，過程如圖4所示。

圖4 變槳距控制系統(tǒng)

對液壓系統(tǒng)采用比例閥(伺服閥)控制的方式受到高度重視。根據(jù)輸入電信號的大小，通過放大器將該信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號，并將其作為輸入量傳送到電磁鐵，從而產(chǎn)生和輸入信號成比例的輸出量:力或位移，再動作比例閥(伺服閥)，產(chǎn)生成比例的流量和壓力。

綜上可以看出:在蒸汽輪機(jī)電液控制中，由于其復(fù)雜性、龐大性，要求其電液控制能夠滿足各種需求，主要體現(xiàn)在控制的實現(xiàn)方面，復(fù)雜的系統(tǒng)控制點有幾百個，關(guān)系到液壓的也有上百個，其電液系統(tǒng)的復(fù)雜性可想而知。而風(fēng)力發(fā)電的控制點比較少，其控制對象很明確，也沒有重復(fù)利用能源的問題，所以電液系統(tǒng)相對簡單，而其液壓部分不光體現(xiàn)在控制上，更多地也體現(xiàn)在制動功能上，所以必須要求高可靠性。

1.4 電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)精度差別

蒸汽輪機(jī)有強(qiáng)大的永磁式測速發(fā)電機(jī)與高壓轉(zhuǎn)子剛性連接，有可靠轉(zhuǎn)速信號。發(fā)電機(jī)頻率在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，為1 200 Hz，電流5 A，電壓為115 V (嚴(yán)格與頻率成正比)，電功率強(qiáng)大，防干擾能力強(qiáng)。測速卡的主頻為2 M，轉(zhuǎn)速測量的精度高。這種精度要求同樣體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)，單作用缸的非進(jìn)油側(cè)受高壓彈簧控制，一旦動作，主汽門會在250 ms內(nèi)關(guān)閉，極大程度上保護(hù)汽輪機(jī)。

對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組來說，控制精度并不高，變槳的角度誤差有時甚至可以達(dá)到2°，其效率影響不大。雙作用液壓油缸就是這種要求下的產(chǎn)品，順槳或啟機(jī)過程中，由于葉片的強(qiáng)大慣量，要求其兩側(cè)進(jìn)油均應(yīng)均衡有力，而非只要求速度。可以看出，風(fēng)力發(fā)電的精度要求并不高，而是體現(xiàn)在可靠性上，所以基于此原因，在明確控制對象后就完全沒有必要在提高精度、速度方面下更多功夫[6－7]。

2 結(jié)論

經(jīng)過對蒸汽輪機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)在4個方面的對比分析，不難發(fā)現(xiàn):火電與風(fēng)電的控制系統(tǒng)各有千秋，前者是定制產(chǎn)品，其產(chǎn)品千變?nèi)f化以適應(yīng)使用要求;后者是批量產(chǎn)品，其控制理念是要求有極強(qiáng)的可復(fù)制性，甚至是“拷貝、粘貼”的過程?；谖覈鶈T遼闊、地形環(huán)境復(fù)雜多樣的現(xiàn)狀，未來多種發(fā)電形式并存，但不斷提高發(fā)電效率、充分利用資源是所有電力設(shè)備制造企業(yè)的一貫?zāi)繕?biāo)。

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