王國亮

(上海電氣風電設備有限公司,上?！?00241)

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洋流發(fā)電機組勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)設計

王國亮

(上海電氣風電設備有限公司,上海200241)

通過對洋流發(fā)電機組與風力發(fā)電機組進行對比分析，并根據(jù)洋流發(fā)電機組運行環(huán)境的特點，指出了傳統(tǒng)制動方式存在的問題。簡要介紹了根據(jù)電機運行制動原理，通過對洋流發(fā)電機組勵磁轉矩的控制來實現(xiàn)輔助制動功能的設計思路，以彌補傳統(tǒng)制動方式所存在的不足。

洋流發(fā)電機組；勵磁轉矩；輔助制動

0　概述

洋流是具有相對穩(wěn)定的流速和流向的大規(guī)模海洋運動。洋流主要由風對洋流的摩擦力和壓力、海洋內部的壓力和摩擦力、海水鹽度差異所造成的力、地球自轉、星體引力等綜合作用形成的。在距離大陸板塊附近，水深在0～100 m的海洋區(qū)域，形成了可以開發(fā)利用洋流資源的區(qū)域。中國海洋處在亞歐板塊的大陸架區(qū)域內，蘊含著大量的洋流資源，據(jù)測算沿海洋流的年平均功率理論值約為1.4×108kW，屬于世界上功率密度最大的地區(qū)之一[1]。

隨著全球氣候變化的不斷惡劣及國內霧霾天氣的不斷加重，國家越來越重視綠色能源的開發(fā)利用，海洋能源作為綠色能源開發(fā)的一個主要領域也越來越受到重視。海洋能源中蘊藏的大量的洋流資源為洋流發(fā)電技術的開發(fā)利用提供了動力。從宏觀上看，洋流發(fā)電技術將十分有利于國家能源和海洋戰(zhàn)略的推進。洋流發(fā)電可以配套我國深海石油、天然氣鉆探開采工程，成為海上設施的動力源。同時，洋流發(fā)電還可以為中國廣闊的海洋島嶼、島礁提供電力，有利于保衛(wèi)海疆，開發(fā)深海資源。另外，洋流發(fā)電還可以利用海上風電、石油鉆井平臺的基礎，進行能源的綜合開發(fā)。

洋流發(fā)電機組的設計與風力發(fā)電機機組的設計存在著某些相似性，但在洋流發(fā)電機組的設計中，由于海水密度大，流體能量大，在流速較大時發(fā)電機組常常會出現(xiàn)過速問題，因此洋流發(fā)電機組制動系統(tǒng)的設計是洋流發(fā)電機組設計中的一個重點。

1　傳統(tǒng)制動方式存在的問題

目前，在洋流發(fā)電機組的設計中，因海水密度遠遠大于空氣密度，海水密度約為空氣密度的800～1 000倍，因此根據(jù)流體功率公式[2]：

式中：P為流體功率，kW；ρ為流體密度，kg/m3；v為來流速度，m/s；A葉輪掃掠面積，m2。

當葉輪掃掠面積A相同時，因ρ水/ρ空=800～1 000，因此洋流發(fā)電機組捕獲的流體功率是風力發(fā)電機組的800～1 000倍。為此和風力發(fā)電機組的葉片相比常把用于洋流發(fā)電的葉片設計的比較短小如圖1和圖2所示，這樣使得葉輪的轉動慣量就大大減小，但由于海水密度大，流體能量大，在流速較大時發(fā)電機組常常會出現(xiàn)過速，目前對這種過速制動一般有機械式制動和變槳矩制動兩種制動方式，但這兩種制動方式均存在著不足之處。

1.1機械式制動存在的問題

由于海水密度相對較大，即使葉輪較小其葉片獲取的轉動力矩仍較大，如果在高轉速下采用機械式的摩擦剎車極易造成過熱起火的危險。一般機械式制動均用于低速時輔助變槳制動， 即在

圖1　洋流發(fā)電機組示意圖

圖2　海上風力發(fā)電機組

葉片順槳不夠或風輪需要完全靜止時，才使用機械式制動。但由于轉動力矩較大，短時間內不能剎住車，且剎車盤磨損嚴重增加維護成本。

1.2變槳矩制動存在的問題

此方法雖然沒有機械式制動磨損及過熱的危險，但是因變槳控制特性的約束，其變槳速度較慢，因此響應時間較長，導致發(fā)電機轉速在一段時間內持續(xù)上升，將使發(fā)電機較長時間處于過速狀態(tài)從而易損壞發(fā)電機和傳動軸系等機械結構。

2　勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)設計

為克服傳統(tǒng)制動方式響應時間長的缺陷，根據(jù)電機運行時的制動原理[3]，介紹了一種洋流發(fā)電機勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)設計思路，同時提供了上述輔助制動系統(tǒng)的工作方式。在洋流發(fā)電機組正常制動過程中，通過向電機提供額外的勵磁阻轉矩達到快速平穩(wěn)安全的制動效果，加快發(fā)電機組制動響應速度。

2.1勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)的設計方案

洋流發(fā)電機勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)，是由依次相連的速度檢測傳感器、控制器、變流器組成，如圖3所示，其速度檢測傳感器與發(fā)電機相連以檢測發(fā)電機的過速情況，并將數(shù)據(jù)傳給控制器；變流器與控制器及發(fā)電機相連，可按照控制器發(fā)出的信號調整發(fā)電機的勵磁電流大小以及勵磁方向。

1.發(fā)電機；2.速度檢測傳感器；3.控制器；4.變流器圖3　勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)

2.2勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)的工作方式

勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)，對于異步鼠籠發(fā)電機和同步發(fā)電機而言，變流器與發(fā)電機的定子相連；對于異步繞線發(fā)電機而言，變流器與發(fā)電機的轉子相連。

2.2.1異步發(fā)電機控制

結合圖3所示，發(fā)電機1為異步發(fā)電機的情況下，發(fā)電機1過速時正常將處于回饋制動狀態(tài)，控制器3在收到速度檢測傳感器2的電機過速信號后，通過變流器4在發(fā)電機1可承受范圍內增加發(fā)電機1的勵磁電流，以降低磁場旋轉頻率，使勵磁阻轉矩變大，加快發(fā)電機組制動速度。

以上所述的異步發(fā)電機控制在針對異步鼠籠發(fā)電機時，控制器3在收到速度檢測傳感器2的電機過速信號后，也可以在傳動軸可承受的扭矩條件和變流器4可承受的功率條件下，短時間使發(fā)電機1的勵磁方向與發(fā)電機1的旋轉方向相反，通過這種方式加大勵磁阻轉矩，加快發(fā)電機組制動速度。

2.2.2同步發(fā)電機控制

同樣結合圖3所示，發(fā)電機1為同步發(fā)電機的情況下，控制器3在收到速度檢測傳感器2的電機過速信號后， 在傳動軸可承受的扭矩條件和變流器4可承受的功率條件下，通過變流器4控制發(fā)電機1的勵磁方向與發(fā)電機1的旋轉方向相反，以加大勵磁阻轉矩，加快發(fā)電機組制動速度。

3　結語

本文所述的洋流發(fā)電機組勵磁轉矩輔助制動系統(tǒng)設計，是通過采用特定的控制策略，利用發(fā)電機組現(xiàn)有部件，在洋流突然出現(xiàn)較大流速時向發(fā)電機提供額外的勵磁阻轉矩，短時間內加速發(fā)電轉換效率，限制電機轉速的增加，配合常規(guī)制動系統(tǒng)實現(xiàn)快速制動。以極低的成本實現(xiàn)了發(fā)電機組制動性能的較高提升，能有效降低發(fā)電機組電機及常規(guī)制動系統(tǒng)的故障率，減少維護維修費用。同時該輔助制動系統(tǒng)還能在出現(xiàn)湍流現(xiàn)象時快速的調節(jié)制動轉矩以達到穩(wěn)定轉速的目的，能有效提高發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性及可靠性，提高發(fā)電效率。

[1]劉小龍，侯櫻，趙文峰．海流發(fā)電機的發(fā)展和應用[J]．能源工程，2008(6)：20-23．

[2]姚興佳．風力發(fā)電機組理論與設計[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2013.

[3]周紹英．電力拖動[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2002．