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
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。
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。
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。
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.