中国能源资讯网变速变桨风电机组主要采用变桨距方式改变捕风能力，调节机组功率和转速。机组的转速控制、超速保护设置，直接关系到机组运行安全、部件寿命、故障几率和年利用小时数等。在进行转速控制和超速保护设置时，既要保证设备安全，又要充分发挥机组性能。采用适当的控制方式，合理地设置控制参数，可以提高设备的经济性，大幅度地提升机组的稳定性。
本文就德国REpower变速变桨1.5MW双馈机组（同步转速为1500rpm，运行范围是1000～2000rpm）的转速控制、超速停机及超速参数设置值等进行分析和阐述。
变速风电机组控制及转速限制问题
变速风电机组的转速控制一般可分为两种情况。在低于额定风速时，通过变频器的调节控制发电机的电磁转矩，实现机组的转速控制；在高于额定风速时，一般采用调节桨距角的方法将多余的能量释放出去，实现机组转速控制。
一、 变速变桨风电机组的优点
与恒速机组相比，变速机组的主要优点如下：
(1)叶轮能在很宽的风速范围内跟踪最佳叶尖速比，从而使风能利用系数最大，提高了系统效率。
(2)自然状态的风随机可变，当出现极限阵风，风速突然增大时，可提高叶轮转速，使一部分能量以动能形式存储，保证机组的输出功率基本不变；当风速降低，叶轮存储的动能再以电能的形式输出，使机组的功率输出平稳，从而减小风速变化对电网的冲击。同时，有效地避免了机组传动结构上的受力突变，减小风速变化对机组机械部件造成的冲击，降低机械部件的疲劳损伤，延长了部件和机组的使用寿命。
二、变速双馈机组的超速参数设置
当变速双馈风电机组处于超同步运行状态时，转子转速高于同步速，如果距超速保护定值的裕度过小，那么，出现极限阵风或受电网故障扰动后可能触发超速保护停机，对机组部件和发电造成不利的影响。当机组因其他故障停机时，不必要地触发超速停机，影响机组的故障判断等。因此，超速保护参数的设定值不能过低。另一方面，机组运行转速过高，则可能危及发电机、变频器等机组部件的安全。因此，合理的转速控制和超速参数对机组的正常运行至关重要。
在设置双馈风电机组的超速参数时，主要需考虑以下几个方面：
（1）发电机的承受能力
GB/T23479《风力发电机组 双馈异步发电机》中对发电机有这样的规定：“发电机处于热态，应承受1.2倍的最大工作转速，历时2min。超速试验后发电机各部件应无永久性变形和不产生妨碍发电机正常运行的其他缺陷。”因此，在设置超速参数时，应考虑双馈机组发电机的承受能力。
（2）双馈机组的变频器容量及发电机转子电压
双馈风电机组变频器的容量很小，约为发电机的转差容量(即发电机定子输出容量与转差率绝对值的乘积)。在双馈发电机定子输出容量一定的情况下，变频器的励磁容量与转差率的绝对值成正比。也就是说，双馈机组的转速运行范围越宽，转子变频器的励磁容量也就越大。因此，在系统设计时，应注意发电机的转速运行范围与变频器容量之间的优化和权衡问题，以达到较好的经济性能指标。
变频器的输出电压为发电机转子开路电压与转差率绝对值的乘积，因此，转子开路电压等级的确定既要考虑变频器的电压等级也要考虑发电机的转差率。转子电压和转子电流在不同的运行状态下大小不同，在转差率的绝对值最大时，转子电压最大。
（3）机组运行的最高并网转速
在设定机组额定转速与超速参数值时，应充分考虑机组正常运行的速度上升空间，以利于叶轮跟踪最佳叶尖速比和短时阵风时的叶轮储能，提高机组效率。在机组允许的并网运行转速范围内，不应设置没有延时的瞬间停机超速保护。
在机组运行范围内设置没有延时的超速停机保护会造成：机组的并网运行范围缩小；当机组负荷较高，且风速急剧变化时，机组报超速停机频繁。如采取修改变桨控制算法参数的方法，来解决没有延时超速停机保护参数设置错误所带来的超速停机问题，则必将影响叶轮的储能和发电量。这不仅不能使超速停机问题得到彻底解决，还可能影响部件寿命，增加机组的故障几率等。
（4）甩负荷停机后，机组需要有足够飞升转速的速度空间
机组在高负荷执行低电压或高电压穿越的过程中，需要一个较大的速度上升空间，不能因超速保护而停机脱网；当机组执行甩负荷故障停机时，应有足够的叶轮飞升的速度空间，在机组顺桨正常的情况下，不应触发断安全链的刹车200超速保护，以保护机械部件（如：齿轮箱、叶片、塔筒等）免受损伤和冲击。
REpower1.5MW双馈风电机组的超速参数设置
为限制超速、保障机组安全，REpower 1.5MW机型采取了较为合理的控制策略，并设置了多个限制机组超速的状态码：213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除状态码213为只报警不停机外，其余9道均为停机保护。
下面就该机型超速控制策略、超速控制状态码和超速参数设置值进行分析。
一、机组并网运行的转速控制
该系列机型使用的主控是WP3100，控制正常运行并网转速的参数主要有三个，即：降噪运行，状态码213和机组额定转速。另外，在功率控制上，该主控的控制策略采用查表法，即：当并网转速上升时，主控的给定扭矩也随之上升，这既符合双馈机组的工作特性，又从控制上通过持续加大给定扭矩的方法来限制转速，同时，增加机组出力，避免运行转速超过其正常的允许范围。
实践证明，当机组无故障时，按照REpower超速参数设置方式，在众多风况条件下，机组在设计的整个运行风速段内均不会报软件超速，更不会报硬件超速停机。
按照REpower的参数设置，“极限阵风”状态码213的控制和参数设置为：当机组高速轴转速达到1960rpm，且时间超过0.2s时，控制机组的“额定转速”（G）ratedxxxx rpm（如：1770rpm）值，改为由设定的“安全转速”（G）safexxxx rpm（如：1720rpm）控制。叶轮以5°/s顺桨，叶片从0°向90°方向移动，机组转速下降，“安全转速”的控制时间为“安全时间设定值”（G）safe time xxx s（主控WP3100默认值：600s，此参数应根据机位的风况条件进行调整，应以机组既能避开极端风况，又不因多次“极限阵风”报 “重复故障”停机为准），在此之后，机组的转速控制，再次从“安全转速”控制恢复到由机组正常的“额定转速”（G）rated xxxx rpm（如：1770rpm）控制，并以主控设定“安全提升速率”（G）safe ramp xx rpm/s（WP3100默认值：10rpm/s）升速。
另一方面，当出现短时阵风时，叶轮转速迅速升高，实现能量的存储。叶轮转速达到了1960rpm，但没有超过0.2s，则不执行该状态码，这样，机组的实际最高运行转速更接近2000rpm，有利于尽量多地吸收风能，同时，避免短时阵风对机械部件造成的冲击。当风速下降时，叶轮转速降低，短时储存的动能转化成电能，从而保证机组的功率稳定。
在通常风况条件下，通过设定的“额定转速”控制机组转速。当风况较差、风速不稳时，可以通过激活“极限阵风”状态码213把机组转速控制在正常运行范围内，以降低额定转速的形式限制转速，此状态码只报警不停机。在风况相对稳定、机组转速得到有效控制后自动恢复到正常的额定转速设定值进行控制。这样，既保证了机组最大限度地吸收风能，提高发电量，又能较好地把机组转速控制在正常运行范围之内。
因此，通过主控设定的“额定转速”和“极限阵风（213）”把机组的运行转速控制在设备正常范围内，而不是通过停机方式来控制机组运行的最高转速的方式，既有利于限制转速，又能最大限度地发挥变速双馈机组的性能。
二、保证机组安全的软件停机
为保证机组安全，避免机组转速过高，在机组最大运行转速2000rpm附近，设置了“变桨自主运行（1905）”和“变频器超速（1411）”两道限制转速的停机保护。
状态码1905，为刹车52，当机组齿轮箱高速轴转速达到1950rpm，机舱控制柜内的硬件WP2135动作，通过接线和滑环，把信号传到轮毂内的变桨控制器，由变桨控制器程序设定延时0.3s，如果在0.3s后硬件WP2135仍处于断开状态，此时变桨控制器就不再接受主控指令，只按变桨控制器程序执行5°/s的变桨驱动器顺桨，同时，再通过变桨通信传给主控（由主控的RPM OK信号状态得到显示），主控报“变桨自主运行（1905）”故障，执行降负荷停机；如果硬件WP2135断开的时间不足0.3s，则不执行该状态码，机组不会停机。因变桨控制器设定的延时时间为0.3s，而达到硬件触发值后，超速模块WP2135动作还需要时间，因此，实际延时触发“变桨自主运行（1905）”的时间大于0.3s。在某些特殊情况下，通过变桨控制器执行“变桨自主运行（1905）”，即可保障机组及部件安全。
因“变桨自主运行（1905）” 的执行条件仅略高于“极限阵风（213）”，两者的触发条件相当接近。在机组运行过程中，可能同时满足这两个触发条件，这样，就可能在执行“极限阵风”的同时，又执行“变桨自主运行”。机组就会因执行“变桨自主运行”而停机。
为保证机组长期稳定运行，当两个触发条件同时满足时，则优先执行“极限阵风（213）”，而不执行“变桨自主运行（1905）”程序，这样就不会因执行“变桨自主运行”而停机，同时也避免了机组误报故障。
按照REpower机组配置的ALSTOM变频器参数设置，当转速达到2000rpm，超过延时设定值0.1s（有的变频器则设置为2050rpm，没有延时），达到“变频器超速（1411）”的触发条件，则并网运行转速超过变频器的能力，变频器会自动甩负荷脱网，再由变频器发出信号传到主控输入端口，执行刹车程序75，采用变桨驱动器顺桨，顺桨速率为8°/s。其速度信号来自于发电机编码器。
以上两个超速停机保护状态码，通过两个完全不同的路径触发顺桨停机，以确保机组并网运行转速不会超出运行范围，或不超出运行范围太远，保护变频器、发电机等部件及机组安全。
三、三个“软件超速”的设置及超速保护的执行顺序
该转速控制方案还设置了三个没有延时的“软件超速”保护，即：齿轮箱软件超速（310）、低速轴软件超速（311）和发电机软件超速（312）。当转速上升到三个“软件超速”设定值，则会报出310、311、312三个“软件超速”。
按照REpower超速参数设置（统一换算成高速轴转速），设定的超速参数值均为2178rpm（刹车程序75），转速信号分别来自三个不同的测速探头。由主控软件判断执行，没有延时，执行受控的变桨驱动器顺桨停机，顺桨速率为8°/s。
在执行转速控制和超速停机保护时，有着严格的先后逻辑顺序。首先，执行“极限阵风（213）”；其次，执行“变桨自主运行（1905）”和“变频器超速（1411）”，最后，执行“软件超速”，报310、311、312故障。
与机组超速有关的主控、变桨控制程序，或参数设置值如有不同，机组的运行状况可能会大不一样。
例如：在编制“变桨自主运行”控制程序时，没有设置0.3s延迟，或没有设置“极限阵风（213）” 程序优先于“变桨自主运行”执行的条件时，这样，在大风时节、风速极度变化时，机组会频繁报“变桨自主运行（1905）”停机，这样就会造成机组频繁报故障停机。
再如：设置的三个“软件超速”触发值过低，距离最高运行转速较近，甚至设在机组的运行范围之内，则会造成大风期频繁报“软件超速”停机和报故障不准确等。
四、刹车200超速停机的参数设置和作用
在机组顺桨正常的情况下，通常不触发 “刹车200超速”。机组报“刹车200超速”停机时，将启用备用电源紧急顺桨，同时，主轴刹车器参与制动。报“刹车200超速”停机是转速失控，或机组飞车的重要标志。
两个“刹车200软件超速” 停机分别是：“低速轴刹车200软件超速（317）”和 “齿轮箱刹车200软件超速（328）”，它们的测速信号分别源自两个不同的测速探头，触发值由主控软件设定，并通过主控软件执行刹车200停机以及断安全链；
两个“刹车200硬件超速”停机分别是：“发电机WP2035硬件超速（319）”和“低速轴WP2035硬件超速（320）”。它们信号来源为硬件超速模块，执行时报刹车200，并断安全链，这两个硬件超速保护命令，仅与超速模块及其硬件设置有关，而与主控的软硬件和参数设置无关。
以上4个“刹车200超速”，其设置值均为2400rpm，顺桨速率理论上为15°/s，其实际速度与电池电压、电流、变桨电机、变桨齿轮箱速比、机组运行状态等有关，触发后，需到现场进行安全链复位。
由以上分析可知：在绝大多情况下，机组转速的控制，仅通过控制机组的“额定转速”使机组运行在允许的速度范围；在机组故障，或某些特殊外界条件下，可能触发“软件超速”。主轴刹车器频繁制动可能造成齿轮箱齿面的点蚀等，因此，在一般情况下，主轴刹车器不参与机组制动，不触发“刹车200超速”停机。
结论
合理的转速控制和超速参数设置，既对保护设备有利，又能充分发挥机组的性能，以最大限度地降低风电机组的度电成本。因此，转速控制和超速参数设置对机组安全运行和提高发电量有着重要的意义。
云南的老青山、松子山、联合、小白龙、羊雄山、赶马路、云台山，陕西的李家梁和四川广元的芳地坪等不同地区、多个山地复杂地形风电场几百台机组的长期现场运行实践表明，本文的转速控制方式和超速参数设置值，不仅适用于东方FD70、FD77国产化1.5MW机组，还普遍适用于东方自主研发的FD82、FD87、FD89和FD93等机型的1.5MW机组。由流体力学相似理论可知，该转速控制及超速设置方案对其他机型具有重要的借鉴意义和参考价值。
