永磁直驅(qū)風力發(fā)電機背靠背對拖試驗系統(tǒng)及其應用

羅文哲

摘要：風能是一種以太陽為熱源，以大氣為工作介質(zhì)的熱能利用形式。風力發(fā)電是一種可再生的清潔能源，符合能源技術發(fā)展趨勢，得到世界上絕大多數(shù)國家的扶持，發(fā)展迅猛。風力發(fā)電機組是將風能轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電，最終輸出交流電的電力設備，可單機直接供給用電設備，也可并網(wǎng)輸送到用電集中地區(qū)。

1 前言

風力發(fā)電機組的最新型技術是變槳調(diào)速，有雙饋型和直驅(qū)型兩種機型，直驅(qū)機組因其優(yōu)勢明顯，在海上大功率風力發(fā)電中占據(jù)主導地位。永磁直驅(qū)風力發(fā)電機因其轉(zhuǎn)速低、體積大、造價高等特點，在制造廠的試驗測試與常規(guī)發(fā)電機不同，本文詳細介紹其試驗原理、試驗系統(tǒng)及其應用。

2 直驅(qū)型風力發(fā)電機組工作原理及優(yōu)勢

直驅(qū)型風力發(fā)電機組由葉輪直接驅(qū)動永磁直驅(qū)風力發(fā)電機（系統(tǒng)圖見圖1），具有以下獨特優(yōu)勢：

（1）直接驅(qū)動，系統(tǒng)組成設備少，可靠性高，運行維護成本低;

（3）無齒輪箱，提高了效率，降低了噪音;

（4）無稀油潤滑，無漏油隱患，清潔環(huán)保;

（5）全功率變流器完全將機組和電網(wǎng)隔離，可實現(xiàn)對電網(wǎng)有功、無功的靈活控制，并且易實現(xiàn)低電壓穿越，保障電力安全。

3 試驗原理

永磁直驅(qū)風力發(fā)電機試驗按照機電設備和GB/T25389.1、GB/T25389.1、NB/T31012等永磁風力發(fā)電機標準中型式試驗、出廠試驗的試驗項目和試驗方法進行。

永磁直驅(qū)發(fā)電機轉(zhuǎn)速低、體積大、造價高，無法像常規(guī)發(fā)電機那樣，用已試驗合格的專門測試機和變流器固定在試驗臺上，對新制造的待測試發(fā)電機進行全功率試驗?；诖耍岢隽吮晨勘硨ν显囼灧椒?，其原理是使用兩臺新制造的待測試發(fā)電機產(chǎn)品，配套產(chǎn)品變流器，互相作為測試機和被試機，完成試驗項目。

根據(jù)這一試驗原理，試驗站只需配備：

（1）試驗平臺、監(jiān)測儀器和分析系統(tǒng);

（2）必要的模擬風場條件的設備;

（3）具有并網(wǎng)功能的電控設備;

（4）連接電纜。

4 背靠背對拖試驗系統(tǒng)

背靠背對拖試驗一次電氣系統(tǒng)圖如圖2，本試驗系統(tǒng)適用于1.5MW～6MW、輸入電壓為690V、永磁直驅(qū)風力發(fā)電機的出廠試驗和型式試驗。試驗站高壓系統(tǒng)母線由專門的1000kVA、690V變壓器供電，低壓系統(tǒng)由廠用電提供。

本試驗系統(tǒng)實現(xiàn)了產(chǎn)品試驗節(jié)能要求，設計有電力回饋電路：兩路總授電其中一路接入高壓母線，為相應等級高壓變流器供電，經(jīng)能量轉(zhuǎn)換后反饋會高壓母線，實現(xiàn)產(chǎn)品滿負荷試驗的能量回饋節(jié)能要求。試驗開始時，DHG柜開關斷開，以電動機狀態(tài)運行的電機拖動以發(fā)電機狀態(tài)運行的電機運行，滿足并網(wǎng)條件后，合DHG柜開關，發(fā)電機能量回饋到高壓母線，達到節(jié)能目的。

對被試產(chǎn)品，設輸入輸出測量柜。電壓測量采用LEM LV100-3500/SP2電壓傳感器，精度為±0.9%;電流測量采用LEM LT4000-S/SP24電流傳感器，精度為±0.3%。

計算機輔助試驗系統(tǒng)完成試驗設備監(jiān)控、軟操作及被試產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理。

本試驗系統(tǒng)在建設時，電機和變流器使用被試產(chǎn)品，大幅度節(jié)省了投資成本。在試驗中，兩臺電機互為被試產(chǎn)品，分別以電動狀態(tài)和發(fā)電狀態(tài)運行，對應設置變流器的相應參數(shù)即可，切換方便。

5 試驗過程

5.1 設備固定與變流器水冷管路連接

（1）電機對組選用膠套聯(lián)軸器軟連接，見圖3，圖中右側(cè)的風機模擬風場工況。一臺發(fā)電機固定好，調(diào)整另一臺發(fā)電機，要求兩臺發(fā)電機同軸，半聯(lián)軸器端面之間的距離為50mm。先進行單機平穩(wěn)運行測試，測試合格后連接聯(lián)軸器，進行帶載測試。

（2）水冷系統(tǒng)管路以水冷控制柜為中心，去變流器一個回路，去散熱器一個回路，兩個回路之間有三通閥調(diào)節(jié)冷卻液流量大小。散熱器的3個冷卻風扇根據(jù)溫度設定值輪流啟動工作;當冷卻液溫度降到下限設定值時，風扇停機。水冷控制柜的4個管路接口為卡箍式，變流器、散熱器各2個管路接口為法蘭式。

（3）水冷系統(tǒng)的冷卻液須符合變流器廠家提供的技術要求，可用純凈水添加防銹劑、乙二醇（寒冷地區(qū)）來配置。流量計安裝在變流器進水管路中，安裝點兩端各有至少500mm平直管。管路中初次加注冷卻液會產(chǎn)生氣泡，氣泡在壓力的作用下可由管路最高處的自動排氣閥門排出。

5.2 電氣連接

（1）按照電氣接線圖及電氣接線規(guī)范連接發(fā)電機、變流器與變壓器之間的動力電纜，相序要正確，標識要清楚。電纜全部走電纜溝，動力電纜和信號電纜分開鋪設。濾波器、低電壓穿越模塊運行時發(fā)熱較大，半米范圍內(nèi)不應有其他設備。

（2）變流器與低電壓穿越模塊之間的接線、濾波器與發(fā)電機之間的接線按接線圖正確連接。濾波器前端安裝熔斷器，熔斷器前端并接在發(fā)電機主電纜上。低電壓穿越模塊連接在變流器過壓保護模塊下端的U、V、W連接排上，“+”接在變流器直流母排“+”上。為便于試驗操作，將變流器端子上的startenable、emergencystop、resent用機械開關引出。

（3）水冷控制柜中的循環(huán)泵電機電源為AC380V，用4mm2電纜;控制部分電源為AC220V，用1mm2屏蔽電纜。

（4）所有電氣設備外殼、電纜屏蔽層可靠接地，安全接地、工作接地和電磁干擾接地必須分開單獨連接。

（5）電氣接線時，螺母使用力矩扳手按照手冊給定的螺栓擰緊力矩值緊固，確保接觸良好。

5.3 試驗過程

（1）準備工作

試驗人員提前熟悉試驗大綱內(nèi)容，試驗目標明確，掌握試驗操作要領;測試計量儀器儀表已經(jīng)過校準，量程適當，顯示準確，精度滿足要求。

（2）試驗測試

試驗項目和方法按照國家標準和試驗大綱。其中，重點項目是單機平穩(wěn)運行試驗、聯(lián)機后的負載試驗、溫升試驗、并網(wǎng)試驗。

（3）記錄數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗大綱和試驗目標要求，在數(shù)據(jù)記錄表格上記錄-原始試驗數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)要求真實、準確，且同一組數(shù)據(jù)同步采集。

（4）編制試驗報告

試驗報告項目和內(nèi)容根據(jù)國家標準或者企業(yè)標準確定，出廠試驗、型式試驗以及專項試驗分別按照標準的試驗報告模板編制。

5.4 總結

在試驗過程中，由于準備工作不充分，或者是單機測試項目遺漏，給聯(lián)機帶載測試帶來許多障礙，總結如下：

（1）試驗項目和方法嚴格按照國家標準或企業(yè)標準，試驗過程嚴格按照試驗大綱。專項試驗方案須反復斟酌，從原理到實操進行論證，不能用嘗試性的試驗方法進行試驗。

（2）試驗前須測試電機冷態(tài)絕緣電阻，與設計值比較是否有變化;必要時可根據(jù)JB/T 5811-2007 第 12 項“電機應能重復工頻耐壓試驗和沖擊耐受電壓試驗”，重復做一次沖擊耐受電壓試驗;若電機放置時間過長，應進行烘干處理，絕緣電阻值不低于500MΩ。

（3）變流器在連接到電機前須復測輸出頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、波形畸變（諧波）、du/dt等。

（4）水冷系統(tǒng)的進出口水壓和溫度須符合技術文件要求，管路無泄露，壓力能保持。

（5）變流器與電機配合進行單機平穩(wěn)性試驗時，監(jiān)測電機繞組和軸承溫度變化，用示波器記錄拖動變流器輸出側(cè)電壓電流。

（6）單機運行時，變頻器參數(shù)設置正確，電機狀態(tài)參數(shù)顯示正常，方可對組測試聯(lián)機試驗項目。

6 結語

提出了永磁直驅(qū)風力發(fā)電機系統(tǒng)的功率控制策略.對該系統(tǒng)進行背靠背對拖試驗.結果表明，仿真結果與試驗波形一致，驗證了該功率控制策略可有效控制輸入到電網(wǎng)的有功功率和無功功率，能充分利用風能.

參考文獻：

[1]王剛毅，肖強暉，朱廣輝，鄧琛，向述平，&張陳虎.（2013）.永磁直驅(qū)風力發(fā)電機功率控制的研究.湖南工業(yè)大學學報，27（4），61-65.

[2]宋子龍.基于LabVIEW的背靠背電機牽引試驗平臺設計. Diss.南京理工大學，2010.