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摘 要：针对一种基于功率分汇流系统的新型变速恒频风力发电机，进行了实验测试平台的原理设计、功能开发。在对变速恒频风力发电机相关运行特征和性能分析的基础上，开发该实验台教学功能，相应设计了模拟变速恒频风力发电的实验，使学员可以了解行星轮系的变速调节及功率分汇流原理。
关键词：风力发电 实验台 教学示例
随着人类文明和科学技术的进步，对电力的需求在不断增长。我国风电设备起步较晚，未掌握风电机组总体设计和重要部件的关键技术，尤其是小型离网风机设计还停留在直流输出的阶段。而风电技术作为一项可持续发展的关键技术备受世界各国关注，风电技术正在质量方面寻求更大的突破。因此，设计开发一套操作简便，功能集成度高，针对变速恒频风力发电的实验平台显得尤为重要。
1 变速恒频风力发电系统及其演示功能的开发
1.1 基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统的工作原理
功率分汇流系统的核心为行星齿轮传动系统。行星轮系统的两个输入端接收风力机输入动力和调速电机输入动力，一个输出端输出恒速恒频动力给发电机，再由发电机输出恒频交流电到电网。利用调速电机及行星轮系统变速调节功能实现发电机保持同步转速，同时以行星轮系统为核心形成功率分汇流。功率分汇流技术应用于变速发电，采用行星齿轮取代绕线和电刷实现功率的有效分配，可以根据实际需要而调节不同的功率分汇流比例。基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统比传统发电系统更能适应不同的风力，且全程无刷柔性调速控制，采用简单的电气设备连接。因此，基于行星轮系变速恒频风力发电有非常好的应用前景。
1.2 实验台设计的总体功能要求
（1）基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机的性能调试。运用该实验台可以对该变速恒频风力发电机在不同风速的风力输入负载时进行性能测试。
（2）基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机的优化设计。运用该实验台可以进一步挖掘变速恒频风力发电机的功能潜力，为改型优化提供实验参数。
（3）教学演示功能。该实验台可以真实地反映功率分汇流系统风力发电的应用原理，同时反映基于功率分汇流系统变速恒频风力发电机相对于传统风力发电的优势，便于进行现场教学操作。
2 实验台的设计
2.1 实验台架的设计
实验台以行星轮系统的运行为主要出发点，左侧在与行星轮系统行星架相连接的轴上接输入负载电机。右侧在与行星轮系统太阳轮相连接的轴上接输出负载电机。行星轮系统的齿圈通过皮带与固定在统一台面上的调速电机相连接。实验台用重达6吨的铸铁平台作为基础，以此固定负载电机，减少其在工作中的NVH危害。实验台的组成部分有：
（1）功率分汇流系统由风力机、行星齿轮传动系统、发电机、调速电机组成。其核心是由一个太阳轮、一个齿圈及若干个安装在行星架上的行星齿轮组成的行星齿轮传动系统。
（2）负载电机部分主要由图1所示的电机1、电机2、电机3组成。电机1是额定功率为30 KW、额定转速为3 000 r/min的三相异步电动机。电机2为额定功率为45 KW、额定转速为3 000 r/min的交流电机测功机，电机3为额定功率为15 KW、额定转速为3 000 r/min三相异步电动机。
图1 实验平台示意图
2.2 实验台的控制系统
实验台以三相异步电动机作为驱动器，运用控制系统，通过电机控制器，可以对作为风力机的大功率三相异步电动机及作为调速电机的小功率三相异步电动机进行改变转速转矩操作，实现模拟不同风速下以调速电机调速补偿功率使模拟发电机的交流电机测功机获得恒定转速。右端转矩转速传感器将交流电机测功机的转速转矩反馈到控制系统，控制参数可以实时显示并保存，以便对变速恒频风力发电机的工作特性进行研究及对相关理论进行验证。
此实验台的控制系统及数据反馈系统集中于同一控制中心，实验者操作起来十分便捷（如图2所示）。
图2 实验台工作原理图
注：M1-风力机；M2-交流电机测功机；M3-调速电机；1-行星轮系统；2-调速电机变频器
3 教学功能的开发
实验台的设计在满足基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机性能测试与功能开发的同时，也可以充分发挥实验台良好的示教特点，满足教学要求。
3.1 功率分汇流系统演示功能开发
通过实验台，学员可以详细地了解基于功率分汇流系统所建立的风力发电系统构造及运行特点。功率分汇流技术应用于变速发电，采用行星齿轮取代绕线和电刷实现功率的有效分配，可以根据实际需要而调节不同的功率分汇流比例。通过讲解，学员可以在了解功率分汇流技术的同时对传统风电系统的结构有更深的理解。让学员直观地感受利用行星轮系统作为功率分汇流应用于变速发电机组在结构、质量等方面的优势。
同时，通过系统对电机控制器的控制，作为风力机的电机运转，再使调速电机运转，使整个实验装置运行，可以将基于功率分汇流系统所建立的风力发电系统的驱动控制过程清晰地展现在学员面前。
3.2 变频调速原理演示实验设计
变速恒频发电系统通过行星轮系统不仅实现了功率分汇流，并且取代了传统发电机组升速齿轮箱在实验中起到了变频调速的功能。在此实验中，还需要给学员讲解行星轮系统无级调速的功能。两自由度单行星排差速原理：设nt为太阳轮转速，nq为齿圈转速，nj为行星架转速，K为单行星排齿圈齿数和太阳轮齿数之比，则各元件之间转速特性方程式为nt+knq—（1+k）nj=0。当原动机转速提高时，行星架转速nj随之升高Δn；如随之调整伺服调速电机转速，使太阳轮转速nt降低（1+K）Δn，则齿圈转速nq可以仍然保持不变。当原动机转速降低时，升高伺服调速电机的转速以保持发电机的转速不变。使得在不同原动机转速条件下，发电机都可以稳定在同步转速点运行。
根据基于功率分汇流系统变速恒频风力发电机的运行特点，实验台主要设计了风力机在变转速工作情况下进行实验。该实验主要观察发电机在不同不确定风能输入功率工况下的发电情况。
变频调速实验是通过控制驱动系统，启动风力机使其按一定转速运转，此时于反馈系统及驱动系统相连的调速电机将会以一定转速进行运转，通过行星轮系统使输入到发电机的转速保持恒定。不断改变风力机的转速，观测调速电机和发电机的运转特性。
4 结束语
针对基于功率分汇流的变速恒频风力发电系统开发一套可以用于科研及教学的实验台系统。实验台不仅能有效地对功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统开展探讨性实验和改型研究，还开发了相关教学示例实验供学员观摩学习，服务教学工作。
参考文献
[1] Park， J.W. Wide speed operation of a doubly-fed induction generator for tidal current energy[A]. 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society. 2004.
[2] 赵克刚，柳文斌.基于液压复合传动的变速恒频风力发电系统研究[J].液压与气动，2008（3）：53-56.
[3] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].第二版.北京：机械工业出版社，2007.
[4] 穆安乐，刘宏昭，张明洪，王建平.新型变速恒频风能转换系统的实现原理与运动学分析[J].机械工程学报，2008，44（1）：195-198.
[5] 周斯加，夏景演.双转子电机实验台设计与教学功能开发[J].中国现代教育装备[J].2012（5）：20-22.
关键词：风力发电 实验台 教学示例
随着人类文明和科学技术的进步，对电力的需求在不断增长。我国风电设备起步较晚，未掌握风电机组总体设计和重要部件的关键技术，尤其是小型离网风机设计还停留在直流输出的阶段。而风电技术作为一项可持续发展的关键技术备受世界各国关注，风电技术正在质量方面寻求更大的突破。因此，设计开发一套操作简便，功能集成度高，针对变速恒频风力发电的实验平台显得尤为重要。
1 变速恒频风力发电系统及其演示功能的开发
1.1 基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统的工作原理
功率分汇流系统的核心为行星齿轮传动系统。行星轮系统的两个输入端接收风力机输入动力和调速电机输入动力，一个输出端输出恒速恒频动力给发电机，再由发电机输出恒频交流电到电网。利用调速电机及行星轮系统变速调节功能实现发电机保持同步转速，同时以行星轮系统为核心形成功率分汇流。功率分汇流技术应用于变速发电，采用行星齿轮取代绕线和电刷实现功率的有效分配，可以根据实际需要而调节不同的功率分汇流比例。基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统比传统发电系统更能适应不同的风力，且全程无刷柔性调速控制，采用简单的电气设备连接。因此，基于行星轮系变速恒频风力发电有非常好的应用前景。
1.2 实验台设计的总体功能要求
（1）基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机的性能调试。运用该实验台可以对该变速恒频风力发电机在不同风速的风力输入负载时进行性能测试。
（2）基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机的优化设计。运用该实验台可以进一步挖掘变速恒频风力发电机的功能潜力，为改型优化提供实验参数。
（3）教学演示功能。该实验台可以真实地反映功率分汇流系统风力发电的应用原理，同时反映基于功率分汇流系统变速恒频风力发电机相对于传统风力发电的优势，便于进行现场教学操作。
2 实验台的设计
2.1 实验台架的设计
实验台以行星轮系统的运行为主要出发点，左侧在与行星轮系统行星架相连接的轴上接输入负载电机。右侧在与行星轮系统太阳轮相连接的轴上接输出负载电机。行星轮系统的齿圈通过皮带与固定在统一台面上的调速电机相连接。实验台用重达6吨的铸铁平台作为基础，以此固定负载电机，减少其在工作中的NVH危害。实验台的组成部分有：
（1）功率分汇流系统由风力机、行星齿轮传动系统、发电机、调速电机组成。其核心是由一个太阳轮、一个齿圈及若干个安装在行星架上的行星齿轮组成的行星齿轮传动系统。
（2）负载电机部分主要由图1所示的电机1、电机2、电机3组成。电机1是额定功率为30 KW、额定转速为3 000 r/min的三相异步电动机。电机2为额定功率为45 KW、额定转速为3 000 r/min的交流电机测功机，电机3为额定功率为15 KW、额定转速为3 000 r/min三相异步电动机。
图1 实验平台示意图
2.2 实验台的控制系统
实验台以三相异步电动机作为驱动器，运用控制系统，通过电机控制器，可以对作为风力机的大功率三相异步电动机及作为调速电机的小功率三相异步电动机进行改变转速转矩操作，实现模拟不同风速下以调速电机调速补偿功率使模拟发电机的交流电机测功机获得恒定转速。右端转矩转速传感器将交流电机测功机的转速转矩反馈到控制系统，控制参数可以实时显示并保存，以便对变速恒频风力发电机的工作特性进行研究及对相关理论进行验证。
此实验台的控制系统及数据反馈系统集中于同一控制中心，实验者操作起来十分便捷（如图2所示）。
图2 实验台工作原理图
注：M1-风力机；M2-交流电机测功机；M3-调速电机；1-行星轮系统；2-调速电机变频器
3 教学功能的开发
实验台的设计在满足基于功率分汇流系统的变速恒频风力发电机性能测试与功能开发的同时，也可以充分发挥实验台良好的示教特点，满足教学要求。
3.1 功率分汇流系统演示功能开发
通过实验台，学员可以详细地了解基于功率分汇流系统所建立的风力发电系统构造及运行特点。功率分汇流技术应用于变速发电，采用行星齿轮取代绕线和电刷实现功率的有效分配，可以根据实际需要而调节不同的功率分汇流比例。通过讲解，学员可以在了解功率分汇流技术的同时对传统风电系统的结构有更深的理解。让学员直观地感受利用行星轮系统作为功率分汇流应用于变速发电机组在结构、质量等方面的优势。
同时，通过系统对电机控制器的控制，作为风力机的电机运转，再使调速电机运转，使整个实验装置运行，可以将基于功率分汇流系统所建立的风力发电系统的驱动控制过程清晰地展现在学员面前。
3.2 变频调速原理演示实验设计
变速恒频发电系统通过行星轮系统不仅实现了功率分汇流，并且取代了传统发电机组升速齿轮箱在实验中起到了变频调速的功能。在此实验中，还需要给学员讲解行星轮系统无级调速的功能。两自由度单行星排差速原理：设nt为太阳轮转速，nq为齿圈转速，nj为行星架转速，K为单行星排齿圈齿数和太阳轮齿数之比，则各元件之间转速特性方程式为nt+knq—（1+k）nj=0。当原动机转速提高时，行星架转速nj随之升高Δn；如随之调整伺服调速电机转速，使太阳轮转速nt降低（1+K）Δn，则齿圈转速nq可以仍然保持不变。当原动机转速降低时，升高伺服调速电机的转速以保持发电机的转速不变。使得在不同原动机转速条件下，发电机都可以稳定在同步转速点运行。
根据基于功率分汇流系统变速恒频风力发电机的运行特点，实验台主要设计了风力机在变转速工作情况下进行实验。该实验主要观察发电机在不同不确定风能输入功率工况下的发电情况。
变频调速实验是通过控制驱动系统，启动风力机使其按一定转速运转，此时于反馈系统及驱动系统相连的调速电机将会以一定转速进行运转，通过行星轮系统使输入到发电机的转速保持恒定。不断改变风力机的转速，观测调速电机和发电机的运转特性。
4 结束语
针对基于功率分汇流的变速恒频风力发电系统开发一套可以用于科研及教学的实验台系统。实验台不仅能有效地对功率分汇流系统的变速恒频风力发电系统开展探讨性实验和改型研究，还开发了相关教学示例实验供学员观摩学习，服务教学工作。
参考文献
[1] Park， J.W. Wide speed operation of a doubly-fed induction generator for tidal current energy[A]. 30th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society. 2004.
[2] 赵克刚，柳文斌.基于液压复合传动的变速恒频风力发电系统研究[J].液压与气动，2008（3）：53-56.
[3] 叶杭冶.风力发电机组的控制技术[M].第二版.北京：机械工业出版社，2007.
[4] 穆安乐，刘宏昭，张明洪，王建平.新型变速恒频风能转换系统的实现原理与运动学分析[J].机械工程学报，2008，44（1）：195-198.
[5] 周斯加，夏景演.双转子电机实验台设计与教学功能开发[J].中国现代教育装备[J].2012（5）：20-22.