變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制及超載保護(hù)設(shè)置

變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速控制及超載保護(hù)設(shè)置

可變變速記錄器主要采用變帶距離法改變捕風(fēng)能，調(diào)節(jié)裝置的功率和旋轉(zhuǎn)。機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制、超速保護(hù)設(shè)置,直接關(guān)系到機(jī)組運(yùn)行安全、部件壽命、故障概率和年利用小時數(shù)等。在進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制和超速保護(hù)設(shè)置時,既需保證設(shè)備安全,又要充分發(fā)揮機(jī)組性能。采用適當(dāng)?shù)目刂品绞?合理地設(shè)置控制參數(shù),可以提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性,大幅度地提升機(jī)組的穩(wěn)定性。本文就德國REpower變速變槳1.5MW雙饋機(jī)組(同步轉(zhuǎn)速為1500rpm,運(yùn)行范圍是1000～2000rpm)的轉(zhuǎn)速控制、超速停機(jī)及超速參數(shù)設(shè)置值等進(jìn)行分析和闡述。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制變速風(fēng)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制一般可分為兩種情況:在低于額定風(fēng)速時,通過變頻器的調(diào)節(jié)控制發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制;在高于額定風(fēng)速時,一般采用調(diào)節(jié)槳距角的方法將多余的能量釋放出去,實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速控制。一、自然狀態(tài)的風(fēng)隨機(jī)可變與恒速機(jī)組相比,變速機(jī)組的主要優(yōu)點(diǎn)如下:(1)葉輪能在很寬的風(fēng)速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比,從而使風(fēng)能利用系數(shù)最大,提高了系統(tǒng)效率。(2)自然狀態(tài)的風(fēng)隨機(jī)可變,當(dāng)出現(xiàn)極限陣風(fēng),風(fēng)速突然增大時,可提高葉輪轉(zhuǎn)速,使一部分能量以動能形式存儲,保證機(jī)組的輸出功率基本不變;當(dāng)風(fēng)速降低,葉輪存儲的動能再以電能的形式輸出,使機(jī)組的功率輸出平穩(wěn),從而減小風(fēng)速變化對電網(wǎng)的沖擊。同時,有效地避免了機(jī)組傳動結(jié)構(gòu)上的受力突變,減小風(fēng)速變化對機(jī)組機(jī)械部件造成的沖擊,降低機(jī)械部件的疲勞損傷,延長部件和機(jī)組的使用壽命。二、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)速不合理當(dāng)變速雙饋風(fēng)電機(jī)組處于超同步運(yùn)行狀態(tài)時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速,如果距超速保護(hù)定值的裕度過小,那么,出現(xiàn)極限陣風(fēng)或受電網(wǎng)故障擾動后可能觸發(fā)超速保護(hù)停機(jī),對機(jī)組部件和發(fā)電造成不利的影響。當(dāng)機(jī)組因其他故障停機(jī)時,不必要地觸發(fā)超速停機(jī),影響機(jī)組的故障判斷等。因此,超速保護(hù)參數(shù)的設(shè)定值不能過低。另一方面,機(jī)組運(yùn)行轉(zhuǎn)速過高,則可能危及發(fā)電機(jī)、變頻器等機(jī)組部件的安全。因此,合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)對機(jī)組的正常運(yùn)行至關(guān)重要。在設(shè)置雙饋風(fēng)電機(jī)組的超速參數(shù)時,主要需考慮以下幾個方面:(一)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況GB/T23479《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組雙饋異步發(fā)電機(jī)》中對發(fā)電機(jī)有這樣的規(guī)定:“發(fā)電機(jī)處于熱態(tài),應(yīng)承受1.2倍的最大工作轉(zhuǎn)速,歷時2min。超速試驗后發(fā)電機(jī)各部件應(yīng)無永久性變形和不產(chǎn)生妨礙發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的其他缺陷?！币虼?在設(shè)置超速參數(shù)時,應(yīng)考慮雙饋機(jī)組發(fā)電機(jī)的承受能力。(二)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子交流電壓的確定雙饋風(fēng)電機(jī)組變頻器的容量很小,約為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差容量(即發(fā)電機(jī)定子輸出容量與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積)。在雙饋發(fā)電機(jī)定子輸出容量一定的情況下,變頻器的勵磁容量與轉(zhuǎn)差率的絕對值成正比。也就是說,雙饋機(jī)組的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍越寬,轉(zhuǎn)子變頻器的勵磁容量也就越大。因此,在系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)注意發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍與變頻器容量之間的優(yōu)化和權(quán)衡問題,以達(dá)到較好的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)。變頻器的輸出電壓為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子開路電壓與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積,因此,轉(zhuǎn)子開路電壓等級的確定,既要考慮變頻器的電壓等級,也要考慮發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流在不同的運(yùn)行狀態(tài)下大小不同,在轉(zhuǎn)差率的絕對值最大時,轉(zhuǎn)子電壓最大。(三)機(jī)組允許的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速在設(shè)定機(jī)組額定轉(zhuǎn)速與超速參數(shù)值時,應(yīng)充分考慮機(jī)組正常運(yùn)行的速度上升空間,以利于葉輪跟蹤最佳葉尖速比和短時陣風(fēng)時的葉輪儲能,提高機(jī)組效率。在機(jī)組允許的并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不應(yīng)設(shè)置沒有延時的瞬間停機(jī)超速保護(hù)。在機(jī)組運(yùn)行范圍內(nèi)設(shè)置沒有延時的超速停機(jī)保護(hù)會造成:機(jī)組的并網(wǎng)運(yùn)行范圍縮小;當(dāng)機(jī)組負(fù)荷較高,且風(fēng)速急劇變化時,機(jī)組報超速停機(jī)頻繁。如采取修改變槳控制算法參數(shù)的方法,來解決沒有延時超速停機(jī)保護(hù)參數(shù)設(shè)置錯誤所帶來的超速停機(jī)問題,則必將影響葉輪的儲能和發(fā)電量。這不僅不能使超速停機(jī)問題得到徹底解決,還可能影響部件壽命,增加機(jī)組的故障概率等。(四)因素2:超高壓保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng)機(jī)組在高負(fù)荷執(zhí)行低電壓或高電壓穿越的過程中,需要一個較大的速度上升空間,不能因超速保護(hù)而停機(jī)脫網(wǎng);當(dāng)機(jī)組執(zhí)行甩負(fù)荷故障停機(jī)時,應(yīng)有足夠的葉輪飛升的速度空間,在機(jī)組順槳正常的情況下,不應(yīng)觸發(fā)斷安全鏈的剎車200超速保護(hù),以保護(hù)機(jī)械部件(如齒輪箱、葉片、塔筒等)免受損傷和沖擊。機(jī)組內(nèi)部狀態(tài)碼為限制超速、保障機(jī)組安全,REpower1.5MW機(jī)型采取了較為合理的控制策略,并設(shè)置多個限制機(jī)組超速的狀態(tài)碼:213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態(tài)碼213為只報警不停機(jī)外,其余9個均為停機(jī)保護(hù)。下面就該機(jī)型超速控制策略、超速控制狀態(tài)碼和超速參數(shù)設(shè)置值進(jìn)行分析。一、機(jī)組轉(zhuǎn)速控制該系列機(jī)型使用的主控是WP3100,控制正常運(yùn)行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的參數(shù)主要有三個,即:降噪運(yùn)行、狀態(tài)碼213和機(jī)組額定轉(zhuǎn)速。另外,在功率控制上,該主控的控制策略采用查表法,即:當(dāng)并網(wǎng)轉(zhuǎn)速上升時,主控的給定扭矩也隨之上升,這既符合雙饋機(jī)組的工作特性,又從控制上通過持續(xù)加大給定扭矩的方法來限制轉(zhuǎn)速。同時,增加機(jī)組出力,避免運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過其正常的允許范圍。實(shí)踐證明,當(dāng)機(jī)組無故障時,按照REpower超速參數(shù)設(shè)置方式,在眾多風(fēng)況條件下,機(jī)組在設(shè)計的整個運(yùn)行風(fēng)速段內(nèi)均不會報軟件超速,更不會報硬件超速停機(jī)。按照REpower的參數(shù)設(shè)置,“極限陣風(fēng)”狀態(tài)碼213的控制和參數(shù)設(shè)置為:當(dāng)機(jī)組高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1960rpm,且時間超過0.2s時,控制機(jī)組的“額定轉(zhuǎn)速”(G)ratedxxxxrpm(如:1770rpm),改為由設(shè)定的“安全轉(zhuǎn)速”(G)safexxxxrpm(如:1720rpm)控制。葉輪以5/s順槳,葉片從0°向90°方向移動,機(jī)組轉(zhuǎn)速下降,“安全轉(zhuǎn)速”的控制時間為“安全時間設(shè)定值”(G)safetimexxxs(主控WP3100默認(rèn)值:600s,此參數(shù)應(yīng)根據(jù)機(jī)位的風(fēng)況條件進(jìn)行調(diào)整,應(yīng)以機(jī)組既能避開極端風(fēng)況,又不因多次“極限陣風(fēng)”報“重復(fù)故障”停機(jī)為準(zhǔn))。在此之后,機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制,再次從“安全轉(zhuǎn)速”控制恢復(fù)到由機(jī)組正常的“額定轉(zhuǎn)速”(G)ratedxxxxrpm(如:1770rpm)控制,并以主控設(shè)定“安全提升速率”(G)saferampxxrpm/s(WP3100默認(rèn)值:10rpm/s)升速。另一方面,當(dāng)出現(xiàn)短時陣風(fēng)時,葉輪轉(zhuǎn)速迅速升高,實(shí)現(xiàn)能量的存儲。葉輪轉(zhuǎn)速達(dá)到了1960rpm,但沒有超過0.2s,則不執(zhí)行該狀態(tài)碼,這樣,機(jī)組的實(shí)際最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速更接近2000rpm,有利于盡量多地吸收風(fēng)能,同時,避免短時陣風(fēng)對機(jī)械部件造成的沖擊。當(dāng)風(fēng)速下降時,葉輪轉(zhuǎn)速降低,短時儲存的動能轉(zhuǎn)化成電能,從而保證機(jī)組的功率穩(wěn)定。在通常風(fēng)況條件下,通過設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)況較差、風(fēng)速不穩(wěn)時,可以通過激活“極限陣風(fēng)”狀態(tài)碼213把機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在正常運(yùn)行范圍內(nèi),以降低額定轉(zhuǎn)速的形式限制轉(zhuǎn)速,此狀態(tài)碼只報警不停機(jī)。在風(fēng)況相對穩(wěn)定、機(jī)組轉(zhuǎn)速得到有效控制后自動恢復(fù)到正常的額定轉(zhuǎn)速設(shè)定值進(jìn)行控制。這樣,既保證了機(jī)組最大限度地吸收風(fēng)能,提高發(fā)電量,又能較好地把機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在正常運(yùn)行范圍之內(nèi)。因此,通過主控設(shè)定的“額定轉(zhuǎn)速”和“極限陣風(fēng)(213)”把機(jī)組的運(yùn)行轉(zhuǎn)速控制在設(shè)備正常范圍內(nèi),而不是通過停機(jī)來控制機(jī)組運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速這種方式,既有利于限制轉(zhuǎn)速,又能最大限度地發(fā)揮變速雙饋機(jī)組的性能。二、變槳輸出轉(zhuǎn)速+控制器為保證機(jī)組安全,避免機(jī)組轉(zhuǎn)速過高,在機(jī)組最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速2000rpm附近,設(shè)置了“變槳自主運(yùn)行(1905)”和“變頻器超速(1411)”兩道限制轉(zhuǎn)速的停機(jī)保護(hù)指令。狀態(tài)碼1905,為剎車52,當(dāng)機(jī)組齒輪箱高速軸轉(zhuǎn)速達(dá)到1950rpm,機(jī)艙控制柜內(nèi)的硬件WP2135動作,通過接線和滑環(huán),把信號傳到輪轂內(nèi)的變槳控制器,由變槳控制器程序設(shè)定延時0.3s,如果在0.3s后硬件WP2135仍處于斷開狀態(tài),此時變槳控制器就不再接受主控指令,只按變槳控制器程序執(zhí)行5/s的變槳驅(qū)動器順槳,同時,再通過變槳通信傳給主控(由主控的RPMOK信號狀態(tài)得到顯示),主控報“變槳自主運(yùn)行(1905)”故障,執(zhí)行降負(fù)荷停機(jī);如果硬件WP2135斷開的時間不足0.3s,則不執(zhí)行該狀態(tài)碼,機(jī)組不會停機(jī)。因變槳控制器設(shè)定的延時時間為0.3s,而達(dá)到硬件觸發(fā)值后,超速模塊WP2135動作還需要時間,因此,實(shí)際延時觸發(fā)“變槳自主運(yùn)行(1905)”的時間大于0.3s。在某些特殊情況下,通過變槳控制器執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行(1905)”,即可保障機(jī)組及部件安全。因“變槳自主運(yùn)行(1905)”的執(zhí)行條件僅略高于“極限陣風(fēng)(213)”,兩者的觸發(fā)條件相當(dāng)接近。在機(jī)組運(yùn)行過程中,可能同時滿足這兩個觸發(fā)條件,這就可能在執(zhí)行“極限陣風(fēng)”的同時,執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”。機(jī)組會因執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”而停機(jī)。為保證機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行,當(dāng)兩個觸發(fā)條件同時滿足時,則優(yōu)先執(zhí)行“極限陣風(fēng)(213)”,而不執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行(1905)”程序。因此,機(jī)組就不會因執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行”而停機(jī),同時也避免了機(jī)組誤報故障。按照REpower機(jī)組配置的ALSTOM變頻器參數(shù)設(shè)置,當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2000rpm,超過延時設(shè)定值0.1s(有的變頻器則設(shè)置為2050rpm,沒有延時),達(dá)到“變頻器超速(1411)”的觸發(fā)條件,則并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速超過變頻器的能力,變頻器會自動甩負(fù)荷脫網(wǎng),再由變頻器發(fā)出信號傳到主控輸入端口,執(zhí)行剎車程序75,采用變槳驅(qū)動器順槳,順槳速率為8/s。其速度信號來自于發(fā)電機(jī)編碼器。以上兩個超速停機(jī)保護(hù)狀態(tài)碼,通過兩個完全不同的路徑觸發(fā)順槳停機(jī),以確保機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)速不會超出運(yùn)行范圍,或不超出運(yùn)行范圍太遠(yuǎn),保護(hù)變頻器、發(fā)電機(jī)等部件及機(jī)組安全。三、3轉(zhuǎn)速控制和超停機(jī)保護(hù)該轉(zhuǎn)速控制方案還設(shè)置了3個沒有延時的“軟件超速”保護(hù),即:齒輪箱軟件超速(310)、低速軸軟件超速(311)和發(fā)電機(jī)軟件超速(312)。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到3個“軟件超速”設(shè)定值,則會報出310、311、312超速故障。按照REpower超速參數(shù)設(shè)置(統(tǒng)一換算成高速軸轉(zhuǎn)速),設(shè)定的超速參數(shù)值均為2178rpm(剎車程序75),轉(zhuǎn)速信號分別來自3個不同的測速探頭。由主控軟件判斷執(zhí)行,沒有延時,執(zhí)行受控的變槳驅(qū)動器順槳停機(jī),順槳速率為8/s。在執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制和超速停機(jī)保護(hù)時,有著嚴(yán)格的先后邏輯順序。首先,執(zhí)行“極限陣風(fēng)(213)”;其次,執(zhí)行“變槳自主運(yùn)行(1905)”和“變頻器超速(1411)”;最后,執(zhí)行“軟件超速”,報310、311、312故障。與機(jī)組超速有關(guān)的主控、變槳控制程序,或參數(shù)設(shè)置值如有不同,機(jī)組的運(yùn)行狀況可能會大不一樣。例如:在編制“變槳自主運(yùn)行”控制程序時,沒有設(shè)置0.3s延遲,或沒有設(shè)置“極限陣風(fēng)(213)”程序優(yōu)先于“變槳自主運(yùn)行”執(zhí)行的條件,這樣,在大風(fēng)時節(jié)、風(fēng)速極度變化時,機(jī)組會頻繁報“變槳自主運(yùn)行(1905)”停機(jī),造成機(jī)組頻繁報故障停機(jī)。再如:設(shè)置的3個“軟件超速”觸發(fā)值過低,距離最高運(yùn)行轉(zhuǎn)速較近,甚至設(shè)在機(jī)組的運(yùn)行范圍之內(nèi),則會造成大風(fēng)期間頻繁報“軟件超速”停機(jī)和報故障不準(zhǔn)確等。四、“軟件民用超標(biāo)超”分析在機(jī)組順槳正常的情況下,通常不觸發(fā)“剎車200超速”。機(jī)組報“剎車200超速”停機(jī)時,將啟用備用電源緊急順槳,同時,主軸剎車器參與制動。報“剎車200超速”停機(jī)是轉(zhuǎn)速失控,或機(jī)組飛車的重要標(biāo)志。兩個“剎車200軟件超速”停機(jī)分別是:“低速軸剎車200軟件超速(317)”和“齒輪箱剎車200軟件超速(328)”,它們的測速信號分別源自兩個不同的測速探頭,觸發(fā)值由主控軟件設(shè)定,并通過主控軟件執(zhí)行剎車200停機(jī)以及斷安全鏈。兩個“剎車200硬件超速”停機(jī)分別是:“發(fā)電機(jī)WP2035硬件超速(319)”和“低速軸WP2035硬件超速(320)”。它們信號來源為硬件超速模塊,執(zhí)行時報剎車200,并斷安全鏈。這兩個硬件超速保護(hù)命令,僅與超速模塊及其硬件設(shè)置有關(guān),而與主控的軟硬件和參數(shù)設(shè)置無關(guān)。以上4個“剎車200超速”,其設(shè)置值均為2400rpm,順槳速率理論上為15/s,其實(shí)際速度與電池電壓、電流、變槳電機(jī)、變槳齒輪箱速比、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等有關(guān),觸發(fā)后,需到現(xiàn)場進(jìn)行安全鏈復(fù)位。由以上分析可知:在絕大多情況下,機(jī)組轉(zhuǎn)速的控制,僅通過控制機(jī)組的“額定轉(zhuǎn)速”使機(jī)組運(yùn)行在允許的速度范圍;在機(jī)組故障,或某些特殊外界條件下,可能觸發(fā)“軟件超速”。主軸剎車器頻繁制動可能造成齒輪箱齒面的點(diǎn)蝕等。因此,在一般情況下,主軸剎車器不參與機(jī)組制動,不觸發(fā)“剎車200超速”停機(jī)。高效參數(shù)設(shè)置值的應(yīng)用前景合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設(shè)置,既對保護(hù)設(shè)備有利,又能充