王 迪,常 山,楊 龍
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇三研究所,黑龍江 哈爾濱 150078)
我國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)存總量極其豐富,風(fēng)能清潔環(huán)保無(wú)污染,因此風(fēng)力發(fā)電是當(dāng)今新能源開發(fā)價(jià)值最高的領(lǐng)域。相比陸地發(fā)電,我國(guó)擁有18 000千米長(zhǎng)的大陸海岸線,可利用海域面積300多萬(wàn)平方千米。海上發(fā)電空間廣闊,風(fēng)速波動(dòng)小,工作時(shí)間長(zhǎng)。我國(guó)海上發(fā)電多建造在東南部沿岸灘涂和近海領(lǐng)域,沿海省份人口稠密,經(jīng)濟(jì)發(fā)展快,用電量大,同時(shí)發(fā)電運(yùn)輸更加便利。
現(xiàn)今主流的變速恒頻雙饋感應(yīng)發(fā)電系統(tǒng),在電網(wǎng)與發(fā)電機(jī)之間加入變流器,由此使得風(fēng)輪可以變速運(yùn)行。在主齒輪箱和發(fā)電機(jī)之間加入一個(gè)無(wú)級(jí)調(diào)速的行星齒輪調(diào)速裝置適應(yīng)風(fēng)輪的變速運(yùn)行工況,并且使用了和常規(guī)火電、水電機(jī)組一樣的恒速恒頻同步發(fā)電機(jī),采取了與早期恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組感應(yīng)發(fā)電機(jī)同樣的直聯(lián)電網(wǎng)的方式。這種新型液力調(diào)速裝置實(shí)現(xiàn)變速輸入恒速輸出,具有發(fā)電品質(zhì)更高、對(duì)電網(wǎng)沖擊小的優(yōu)點(diǎn)。
采用液力調(diào)速裝置海上發(fā)電并網(wǎng)機(jī)組的工作模式一般分為4個(gè)環(huán)節(jié),如圖1所示。A到B段:風(fēng)速達(dá)到切入發(fā)電風(fēng)速,風(fēng)力機(jī)起動(dòng)加速直到并網(wǎng)同步;B到C段:風(fēng)速低于額定發(fā)電風(fēng)速,調(diào)節(jié)風(fēng)輪轉(zhuǎn)速獲得最佳葉尖速比,跟蹤最佳風(fēng)能利用系數(shù);C到D段:接近額定功率風(fēng)速區(qū)的恒速控制,調(diào)節(jié)液力變矩器的導(dǎo)葉開度使得行星液力調(diào)速裝置恒速輸出;D到E段:隨著功率增大,發(fā)電機(jī)和變流器達(dá)到其功率極限,調(diào)節(jié)槳矩角,限制輸出功率[1 - 2]。
在海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,輸出到發(fā)電機(jī)組恒速1 500 r/min,風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉輪轉(zhuǎn)速允許在一定范圍內(nèi)進(jìn)行變化,發(fā)電機(jī)組只需控制載荷轉(zhuǎn)矩。在最佳葉尖速比下,風(fēng)能利用系數(shù)最大,就是說葉輪可以實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲。這用來說明具有同直徑的變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可以比恒速風(fēng)力發(fā)電機(jī)組獲得更多能量[3]。液力調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2所示。
圖1 變速運(yùn)行海上風(fēng)電機(jī)組功率特性Fig.1 Variable speed operation of offshore wind turbine power characteristics
圖2 行星液力調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)原理圖Fig.2 Principle of planetary hydraulic speed control drive system
1)裝置的輸出轉(zhuǎn)速
旋轉(zhuǎn)輪系運(yùn)動(dòng)方程
固定輪系運(yùn)動(dòng)方程
固定輪系的齒圈轉(zhuǎn)速即為旋轉(zhuǎn)輪系齒圈的轉(zhuǎn)速為
2)液力變矩器轉(zhuǎn)速比與裝置傳動(dòng)比的關(guān)系
由固定輪系運(yùn)動(dòng)方程(5)可得:
1)液力變矩系數(shù)
2)液力變矩器傳動(dòng)效率效率
1)固定輪系
根據(jù)固定輪系和旋轉(zhuǎn)輪系構(gòu)件間的連接關(guān)系,固定輪系齒圈和旋轉(zhuǎn)輪系的齒圈作用轉(zhuǎn)矩之間有如下關(guān)系:
3)裝置輸入軸轉(zhuǎn)矩
裝置輸入轉(zhuǎn)矩為
1)液力變矩器泵輪輸入功率占裝置輸入功率的比例
2)液力變矩器渦輪功率占裝置輸入功率的比例
3)裝置總體傳動(dòng)機(jī)械效率
根據(jù)前面對(duì)風(fēng)輪與液力調(diào)速裝置匹配工作的分析,得到液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩間的關(guān)系為:
變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩是標(biāo)準(zhǔn)的比例關(guān)系,而渦輪轉(zhuǎn)速與風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系則是一條負(fù)斜率直線的關(guān)系,即隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的增大,風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩增大,而液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速則降低,渦輪輸出轉(zhuǎn)矩也增大。參考某典型的海上風(fēng)輪特性曲線,采用以上關(guān)系式可以計(jì)算對(duì)應(yīng)的液力變矩器輸出工況點(diǎn)參數(shù)。得到適應(yīng)風(fēng)力機(jī)工況的液力變矩器輸出特性曲線如圖3所示。
圖3 對(duì)應(yīng)風(fēng)輪工況液力變矩器渦輪輸出特性曲線Fig.3 The turbine output characteristic curve of hydraulic torque converter in the wind condition
這種典型工況計(jì)算得到的特性曲線正是液力變矩器近似雙曲線特性的特征,也正是液力變矩器本身自動(dòng)適應(yīng)性的體現(xiàn)。作為流體機(jī)械,液力變矩器的輸出特性與風(fēng)輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速—轉(zhuǎn)矩特性相吻合,將兩者配合起來使用再理想不過。
采用液力調(diào)速裝置技術(shù)的海上風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng),恒速風(fēng)電機(jī)組的異步發(fā)電機(jī)沒有任何的附加控制系統(tǒng),其特性完全是由其自身的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性決定的。采用液力調(diào)速裝置技術(shù)的機(jī)組也是一類發(fā)電機(jī)恒速的風(fēng)力發(fā)電形式,保持同步發(fā)電機(jī)的恒速運(yùn)行也不會(huì)附加其他的控制環(huán)節(jié),依靠的是同步發(fā)電機(jī)自身的工作特性及勵(lì)磁調(diào)節(jié)特性。通過液力調(diào)速齒輪系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析可以得出同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速與變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系:
從這個(gè)關(guān)系式出發(fā),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速變化的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速保持恒定的發(fā)電機(jī)輸入轉(zhuǎn)速是很自然的控制思路,并且液力調(diào)速裝置的主控回路要有渦輪輸出轉(zhuǎn)速的采樣反饋。實(shí)際的液力調(diào)速裝置中,液力變矩器的導(dǎo)葉開度則專設(shè)一個(gè)位移傳感器,主控回路為導(dǎo)葉開度的反饋控制,變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速不是采樣值而是一個(gè)計(jì)算值。渦輪轉(zhuǎn)速的關(guān)系:
因此,以系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析得出的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系為根據(jù)而認(rèn)為的直觀控制思路應(yīng)該放棄。可以這樣講,同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng)是恒速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速控制。
液力調(diào)速裝置的海上風(fēng)電控制系統(tǒng)主要控制3套回路:變槳距角調(diào)節(jié)、液力變矩器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)。變槳距角調(diào)節(jié)是額定風(fēng)速以下優(yōu)化槳距角運(yùn)行,額定風(fēng)速以上,變槳距控制限制風(fēng)能獲取,維持額定發(fā)電功率;相關(guān)控制信號(hào)有風(fēng)速、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。液力變矩器導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)是調(diào)節(jié)變矩器渦輪輸出特性(轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速),適應(yīng)跟蹤發(fā)電機(jī)組目標(biāo)功率曲線風(fēng)輪工況的調(diào)整;相關(guān)控制信號(hào)有導(dǎo)葉開度、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、功率和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)是提供發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈勵(lì)磁電流,保持發(fā)電機(jī)輸出端電壓穩(wěn)定,調(diào)節(jié)系統(tǒng)無(wú)功功率;相關(guān)控制信號(hào)有勵(lì)磁電壓、電網(wǎng)電壓、發(fā)電機(jī)頻率[6]。原理如圖4所示。
圖4 采用液力調(diào)速裝置的海上風(fēng)電控制系統(tǒng)Fig.4 The offshore wind power control system using hydraulic speed control device
采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的海上風(fēng)電系統(tǒng)屬于風(fēng)輪變速運(yùn)行的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,其控制的基本思想理論上仍然是取得最佳葉尖速比,獲得最大風(fēng)能利用系數(shù),跟蹤目標(biāo)功率曲線的控制策略。液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速運(yùn)行控制,液力變矩器導(dǎo)葉開度參考信號(hào)是基于平衡輸出端扭矩給出的。
圖5 風(fēng)力機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)矩(轉(zhuǎn)速特性)Fig.5 Target torque for wind turbine(speed characteristic)
導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器外特性如圖6所示。由風(fēng)力機(jī)與液力調(diào)速裝置匹配工作分析得到液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)速()與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速()和風(fēng)輪轉(zhuǎn)速()的關(guān)系為:
渦輪輸出轉(zhuǎn)矩與風(fēng)輪轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為:
圖6 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器外特性Fig.6 Target torque for wind turbine(speed characteristic)
發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速由電網(wǎng)、同步發(fā)電機(jī)工作特性確定同步,針對(duì)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況采樣得到的液力調(diào)速裝置輸入轉(zhuǎn)速()可確定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速:,從而液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)速可定:
適應(yīng)風(fēng)力機(jī)運(yùn)行工況液力變矩器的渦輪輸出轉(zhuǎn)矩可由風(fēng)輪目標(biāo)轉(zhuǎn)矩確定:
液力調(diào)速裝置運(yùn)行中液力變矩器導(dǎo)葉開度的調(diào)節(jié)控制類似于做導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器的特性試驗(yàn),導(dǎo)葉調(diào)至某一開度,風(fēng)輪對(duì)液力變矩器渦輪實(shí)施加載操作,在調(diào)節(jié)渦輪輸出轉(zhuǎn)速的情況下,“讀出”液力變矩器渦輪輸出轉(zhuǎn)矩。
圖7 導(dǎo)葉可調(diào)式液力變矩器原始特性Fig.7 The original properties of the torque converter with adjusting guide vane
穩(wěn)定工況下,旋轉(zhuǎn)輪系中太陽(yáng)輪上的轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系為:
由液力調(diào)速裝置傳動(dòng)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)輪系中心中太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)矩與渦輪轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系式
得到發(fā)電機(jī)軸上的作用轉(zhuǎn)矩:
采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組,風(fēng)輪轉(zhuǎn)速與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的關(guān)系為
1)液力調(diào)速裝置的旋轉(zhuǎn)行星齒輪疊加了2種可變轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)恒定的輸出轉(zhuǎn)速,應(yīng)用在同步發(fā)電機(jī)中,實(shí)現(xiàn)變化的風(fēng)速輸入恒速1 500 r/min輸出并網(wǎng)發(fā)電。
2)海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)開始發(fā)電,槳葉角跟隨最佳風(fēng)能利用系數(shù)開始變化,接近額定風(fēng)速開始恒速控制。到達(dá)海上風(fēng)力發(fā)電功率極限時(shí),調(diào)節(jié)槳葉角使得實(shí)際發(fā)電功率不超過發(fā)電機(jī)組極限。
3)同步發(fā)電機(jī)或感應(yīng)發(fā)電機(jī)直接接入電網(wǎng)就是恒速運(yùn)行的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。在采用液力調(diào)速齒輪技術(shù)的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中,液力變矩器的導(dǎo)葉調(diào)節(jié)并不參與同步發(fā)電機(jī)的恒速控制。
4)通過數(shù)學(xué)模型分析出海上風(fēng)電風(fēng)力機(jī)特性、同步發(fā)電機(jī)功角特性與液力變矩器輸出參數(shù)、液力調(diào)速裝置輸出參數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系。