陳秀實(shí)

（大連華銳重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究總院，遼寧 大連 106022）

1 概述

風(fēng)力發(fā)電機(jī)按照風(fēng)機(jī)中心軸的方向可分為兩類：水平軸型風(fēng)機(jī)和垂直軸型風(fēng)機(jī)，目前已投用的風(fēng)電設(shè)備中水平軸型風(fēng)機(jī)占比較大，隨著風(fēng)機(jī)設(shè)備制造及控制水平的不斷提高，需要風(fēng)機(jī)機(jī)組容量逐步增大，水平軸型風(fēng)機(jī)在結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方面存在一定的局限：（1）由于變槳偏航技術(shù)的制約，風(fēng)機(jī)損壞率較高；（2）機(jī)組容量增大時(shí)，占地面積大；（3）年運(yùn)轉(zhuǎn)效率低；（4）運(yùn)輸安裝維修保養(yǎng)不方便。與水平軸風(fēng)機(jī)相比，垂直軸風(fēng)機(jī)具有單機(jī)機(jī)組容量大、無變槳偏航對風(fēng)裝置、效率較高、占地面積小、對成雨層影響小等特點(diǎn)。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

電氣控制系統(tǒng)能夠安全可靠地完成機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能并輸送至電網(wǎng)的功能，是風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的重要組成部分，系統(tǒng)主要由配電系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)、工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成。設(shè)計(jì)以滿足先進(jìn)性、實(shí)用性、安全可靠性和易維護(hù)性為原則進(jìn)行。

3 配電系統(tǒng)

以垂直軸風(fēng)電機(jī)組容量為32MW為目標(biāo)，設(shè)置16臺性價(jià)比較高、技術(shù)成熟可靠的2MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，分兩層布置在同一車間內(nèi)，考慮到占地面積和成本，兩臺發(fā)電機(jī)共用一臺升壓變壓器，共8臺升壓變壓器，每臺容量為5000kVA。兼顧變流器的設(shè)計(jì)，選擇風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓為690V，根據(jù)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的要求，經(jīng)升壓變壓器升壓到10kV或35kV輸出至外網(wǎng)。配電系統(tǒng)主接線見圖1所示，包括升壓變壓器、高壓開關(guān)柜、為油泵及照明等輔助設(shè)備供電的輔助變壓器等設(shè)備。

圖1 配電系統(tǒng)圖

4 電氣傳動系統(tǒng)

電氣傳動系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)機(jī)組電控系統(tǒng)的主要部分，目前成熟的變流器方案有雙饋發(fā)電機(jī)-部分功率及永磁同步發(fā)電機(jī)-全功率兩種，各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體分析如下。

4.1 雙饋發(fā)電機(jī)—部分功率變流器方案

雙饋發(fā)電機(jī)—部分功率變流器系統(tǒng)主要由發(fā)電機(jī)、雙饋?zhàn)兞髌?、定子接觸器、轉(zhuǎn)子接觸器等元件組成。雙饋系統(tǒng)電氣傳動采用雙饋?zhàn)兞髌鱾鲃蛹夹g(shù)，發(fā)電機(jī)采用雙饋異步發(fā)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子通過滑環(huán)和電刷與雙饋?zhàn)兞髌飨噙B接。其工作原理為：在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)定子直接向電網(wǎng)饋送電能，而轉(zhuǎn)子通過變流器從電網(wǎng)吸收電能；在電機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，發(fā)電機(jī)除通過定子向電網(wǎng)饋送電能外，還可以通過發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子向電網(wǎng)饋送電能。此方案的優(yōu)點(diǎn)為：（1）變流器的容量只有風(fēng)機(jī)容量的1/3左右，成本較低。（2）變流器與電網(wǎng)之間交換轉(zhuǎn)差功率，通過控制發(fā)電機(jī)的速度和功率因數(shù)使風(fēng)機(jī)工作在更寬的速度范圍內(nèi)，具有產(chǎn)生無功功率以適應(yīng)電網(wǎng)的能力。（3）使用最新的IGBT技術(shù)，并由微處理器控制的電力電子器件來控制，通過脈寬調(diào)制獲得接近無閃變的電能、可調(diào)節(jié)的無功功率、低失真和最低諧波含量。此方案的缺點(diǎn)是：對電網(wǎng)的沖擊比較敏感，兼容性相對較弱。

4.2 永磁同步發(fā)電機(jī)—全功率變流器方案

永磁同步發(fā)電機(jī)—全功率變流器系統(tǒng)主要由永磁發(fā)電機(jī)、全功率變流器、定子接觸器等元件組成。全功率系統(tǒng)電氣傳動采用全功率變流器傳動技術(shù)，發(fā)電機(jī)為永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)定子通過斷路器連接至電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子通過變流器連接至電網(wǎng)。變流器由機(jī)側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、控制電路等構(gòu)成。其工作原理為：機(jī)側(cè)變流器完成有功、無功的解耦控制和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；網(wǎng)側(cè)變流器完成輸出并網(wǎng)，有功、無功的解耦控制和直流側(cè)電壓穩(wěn)定性控制，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生電壓跌落等故障時(shí),網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行在靜止無功補(bǔ)償模式，向電網(wǎng)提供無功功率，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，同時(shí)具有良好的低電壓穿越功能。此方案的優(yōu)點(diǎn)為：（1）發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)是完全隔離的，具有良好的兼容性，安全性也比較高。（2）實(shí)現(xiàn)低電壓穿越成本低，不需要增加專門的設(shè)備。缺點(diǎn)是成本較高。

4.3 方案選擇

為保證系統(tǒng)的高效可靠運(yùn)行，發(fā)電系統(tǒng)同時(shí)采用2種方案互補(bǔ)運(yùn)行，使系統(tǒng)具有更高的性價(jià)比。即16臺2MW發(fā)電機(jī)，其中8臺采用雙饋發(fā)電機(jī)-部分功率變流器系統(tǒng)，另8臺采用同步發(fā)電機(jī)-全功率變流器系統(tǒng)。

5 PLC控制系統(tǒng)

PLC控制系統(tǒng)是風(fēng)機(jī)的控制核心，能夠保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在最優(yōu)狀態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)具有極高的先進(jìn)性、可靠性和安全等級以適應(yīng)風(fēng)機(jī)現(xiàn)場惡劣的運(yùn)行環(huán)境。系統(tǒng)由1個(gè)PLC主站、8個(gè)子站組成，每個(gè)子站控制兩臺發(fā)電機(jī)，通過現(xiàn)場總線與變流器、現(xiàn)場儀表等設(shè)備通訊如圖2。

圖2 PLC控制系統(tǒng)圖

5.1 控制器及IO模塊

控制器及IO模塊選擇具有抗干擾性強(qiáng)、控制靈活、處理速度快、擴(kuò)展方便、通訊協(xié)議豐富等特點(diǎn)的設(shè)備。通過采集現(xiàn)場溫度、壓力、振動等環(huán)境參數(shù)信號完成系統(tǒng)功率控制、啟動、停止、安全保護(hù)、輔機(jī)控制等功能。

5.2 通訊網(wǎng)絡(luò)

通訊網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)總線協(xié)議和以太協(xié)議兩種方式。

變流器、風(fēng)速儀等現(xiàn)場檢測儀表與PLC子站之間采用工業(yè)總線協(xié)議進(jìn)行通訊。現(xiàn)場級工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)高速、經(jīng)濟(jì)、可靠，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速傳輸，降低安裝和維護(hù)成本，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

PLC主站和控制室人機(jī)交互系統(tǒng)及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)之間采用工業(yè)以太協(xié)議進(jìn)行通訊，具有通信速率高、兼容性好等優(yōu)勢。

5.3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)在頂部軸承、底部軸承、中間軸承、減速機(jī)軸承等處設(shè)置了在線振動檢測點(diǎn)，用以監(jiān)測關(guān)鍵軸承的運(yùn)行狀況，記錄并分析其變化趨勢，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和預(yù)報(bào)警功能，提高軸承運(yùn)行效率，改進(jìn)維護(hù)計(jì)劃，提高設(shè)備壽命。

6 人機(jī)交互系統(tǒng)

人機(jī)交互系統(tǒng)布置在中控室，完成生產(chǎn)過程的自動化監(jiān)控與調(diào)度等功能，由服務(wù)器、操作員站、工程師站、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成?？蓪?shí)時(shí)對風(fēng)機(jī)機(jī)組現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、操作和維護(hù)，全面掌握設(shè)備的運(yùn)行狀況，出現(xiàn)故障時(shí)能夠及時(shí)報(bào)警，分析故障原因并存儲。

7 工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)

工業(yè)電視監(jiān)控系統(tǒng)由攝像頭和監(jiān)控中心組成。在每層發(fā)電平臺分別布置4個(gè)攝像頭對電氣設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，硬盤錄像機(jī)、控制器和監(jiān)視器等設(shè)備構(gòu)成的監(jiān)控中心安裝于中控室。

工業(yè)電視系統(tǒng)使風(fēng)機(jī)管理者通過圖像直觀地監(jiān)視電氣設(shè)備的運(yùn)行情況，進(jìn)行正常的作業(yè)和指揮調(diào)度。保證發(fā)電質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。當(dāng)圖像顯示異常信息時(shí)，可以及時(shí)予以發(fā)現(xiàn)，以便采用緊急措施迅速處理，排除故障，杜絕事故蔓延，避免導(dǎo)致人機(jī)傷亡。

8 結(jié)語

本文從實(shí)際需求出發(fā)，以先進(jìn)性、實(shí)用性、穩(wěn)定性、安全性和易維護(hù)性為原則，探索了特大功率垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，后期還需要進(jìn)行實(shí)際工程驗(yàn)證和修正，對同類型風(fēng)機(jī)機(jī)組電控系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒和參考意義。