雙饋風電機組低電壓穿越文獻綜述

雙饋風電機組低電壓穿越文獻綜述

0低電壓可實現(xiàn)風電機組全覆蓋近年來，中國風力市場發(fā)展迅速。初步統(tǒng)計,2010年新增風電吊裝和并網(wǎng)運營容量分別達到18GW和13.5GW。到2010年底,全國風電累計吊裝容量和并網(wǎng)運營容量分別為44GW和31GW。在已安裝的風電機組中,變速恒頻雙饋風電機組約占70%。雙饋風電機組作為目前風電場的主流機型,在國內(nèi)已投運的風電場中被廣泛采用。隨著風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,風力發(fā)電所占電網(wǎng)供電比例逐年提高。2010年蒙西電網(wǎng)在本網(wǎng)電量的比重最高曾達到了18.7%的水平,大規(guī)模風電對地區(qū)電網(wǎng)的影響日益增強。為避免風電機組大規(guī)模解列對電網(wǎng)的沖擊,要求發(fā)電機組在短時間內(nèi)電網(wǎng)出現(xiàn)故障情況下不脫網(wǎng)運行,并在故障切除后能盡快幫助電力系統(tǒng)恢復穩(wěn)定運行,即要求風電機組具有一定的低電壓穿越(LVRT)能力。目前國外許多電網(wǎng)運營商對風電場提出了強制性要求。國家電網(wǎng)公司在2009年根據(jù)國內(nèi)電網(wǎng)的實際情況提出了相應(yīng)的并網(wǎng)導則。其中風電機組的低電壓穿越能力是風電大規(guī)模并網(wǎng)運行必不可少的條件及要求,是風電機組在外部故障條件下不間斷運行能力的保證。雙饋風電機組的電氣控制系統(tǒng)主要由主控、變流器和變槳3個子系統(tǒng)組成。研究雙饋風電機組低電壓穿越的眾多文獻,主要針對發(fā)電機定子過電流、轉(zhuǎn)子過電流、變流器直流母線過電壓及發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩的振蕩進行分析與抑制。在雙饋風電機組低電壓穿越過程中,如果不對葉片的槳距角進行正確的調(diào)節(jié),減小風能的捕獲,電磁轉(zhuǎn)矩的減少會導致機組超速停機。在故障清除后,有功功率的快速恢復過程中,不恰當?shù)目刂撇呗詴е螺敵龉β瘦^長時間的振蕩,不能滿足電網(wǎng)的要求。本文針對變速恒頻雙饋風電機組低電壓穿越過程中槳距角的控制進行了深入的分析,采用BLADE軟件進行了仿真,提出了不同風況、不同電壓跌落深度情況下槳距角及有功功率恢復的控制策略,對雙饋風電機組低電壓穿越運行具有一定的指導意義。1低電壓穿越測試點國際電路近年來,雙饋風電機組電網(wǎng)故障條件下的穿越運行成為國際風電技術(shù)發(fā)展的主要動向之一。根據(jù)國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準Q/GDW392—2009《風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》對風電場低電壓穿越能力的要求,電壓跌落的曲線如圖1所示。圖中,橫坐標為電壓跌落時間;縱坐標為并網(wǎng)點電壓與標稱電壓的比值U/UN。如圖所示,不同深度的電壓跌落,要求風電機組持續(xù)運行的時間也不同,電壓跌落越深,要求風電機組持續(xù)運行的時間越短,如并網(wǎng)點電壓跌至20%標稱電壓時,要求風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms。風電機組低電壓穿越期間不脫網(wǎng)運行的時間與電網(wǎng)恢復時間相對應(yīng),如并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能夠恢復到標稱電壓的90%,要求風電機組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行。有功功率在故障清除后應(yīng)快速恢復,自故障清除時刻開始,以至少10%/s的額定功率的功率變化率恢復至故障前的值。風電機組低電壓穿越測試點跌落幅值(標幺值)及跌落持續(xù)時間見表1。針對表1的測試點進行大于90%額定功率及10%~30%額定功率的三相短路、兩相短路測試。雙饋風電機組低電壓穿越運行期間,風電機組控制目標是延緩雙饋風電機組轉(zhuǎn)速上升,防止超速停機、脫網(wǎng),保證機組的功率快速恢復,穩(wěn)定輸出。2轉(zhuǎn)速功率控制雙饋風電機組的控制目標是在額定風速以下保持葉尖速比不變,從而獲得最佳功率系數(shù),實現(xiàn)最大風能捕獲;在額定風速以上,通過槳距角的調(diào)節(jié),保持最大輸出功率。雙饋風電機組的穩(wěn)定運行是風輪獲得的氣動力矩與發(fā)電機電磁阻轉(zhuǎn)矩相平衡的結(jié)果。這一過程是通過轉(zhuǎn)速和功率控制實現(xiàn)的。調(diào)整葉片的槳距角實現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速的控制,調(diào)節(jié)發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)功率的控制。機組在額定風速以下運行時,保持槳距角為0°,以獲取最大風能。依據(jù)圖2所示轉(zhuǎn)速-功率曲線,動態(tài)調(diào)節(jié)雙饋變流器的輸出功率或轉(zhuǎn)矩,平衡風輪獲得的氣動力矩,保持機組穩(wěn)定。槳距控制系統(tǒng)框圖如圖3所示,機組在額定風速以上運行時,轉(zhuǎn)速的給定值為額定轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速的設(shè)定值與測量值之差,經(jīng)過PI調(diào)節(jié)產(chǎn)生槳距角的給定。槳距控制器調(diào)整槳距角,減少風能的捕獲,使風輪輸入的氣動力矩與發(fā)電機的額定轉(zhuǎn)矩平衡,保持恒功率輸出。3發(fā)電機轉(zhuǎn)速運行情況本文提出的低電壓穿越控制系統(tǒng)策略,主要是針對1.5MW、82m風輪機型,機組的主要信息如下:機組額定功率1500kW,風輪直徑82m,額定風速10.5m/s,齒輪箱變比104.494,發(fā)電機正常停機轉(zhuǎn)速2059r/min,發(fā)電機額定轉(zhuǎn)矩8201N·m,發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速1800r/min,最大變槳速度±10°/s,最大變槳加速度±15°/s2,機械傳動鏈效率0.96。假設(shè)電網(wǎng)電壓跌落前,機組運行在額定轉(zhuǎn)速1800r/min,風速為額定風速10.5m/s,槳距角為0°,發(fā)電機轉(zhuǎn)矩為額定值8201N·m,偏航處于完全對風的狀態(tài)。葉片槳距角在0°~5°的范圍內(nèi)變化時,對風輪輸入轉(zhuǎn)矩的影響非常小,故從0°開始變槳需要最長的時間才能對機組的轉(zhuǎn)速起到抑制作用。若機組運行在更高的轉(zhuǎn)速上,此時槳距角已不為0°,這樣用較少的時間調(diào)整槳距角即可起到抑制轉(zhuǎn)速上升的作用。3.1該裝置的空氣動力學分析雙饋風電機組的簡化模型為:其中,Jr為風輪的轉(zhuǎn)動慣量;ωr為風輪的轉(zhuǎn)動角速度;Ta為風輪的氣動力矩;Te為發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩。3.1.1運行轉(zhuǎn)速軸的角速度假設(shè)在低電壓穿越開始時風機轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速1800r/min,對應(yīng)低速軸的角速度為:葉尖速比λ為:其中,R為風輪半徑,v為風速。假定在低電壓穿越結(jié)束時風機轉(zhuǎn)速不超過設(shè)計值2059r/min,對應(yīng)低速軸的角速度為:葉尖速比λ為:3.1.2氣動應(yīng)力力量計算風輪吸收的能量以轉(zhuǎn)矩的形式傳遞給發(fā)電機,傳動鏈前端加載的氣動力矩為:其中,Ta為風輪吸收的氣動力矩;Td為經(jīng)過軸系傳遞后的有效氣動力矩;ηd為機械傳動鏈效率;β為槳距角。圖4為槳距角為0°~20°、葉尖速比為3~14.7時葉片的力矩系數(shù)變化曲線。3.1.3恒強t的計算額定轉(zhuǎn)速時,λ=7.0446,由BLADE仿真計算可得:有效轉(zhuǎn)矩:傳動鏈阻尼:傳動鏈線性阻尼系數(shù):3.2電壓業(yè)務(wù)過線檢測電網(wǎng)電壓跌落時,控制電源切換為UPS供電。雙饋變流器檢測到電壓跌落,將低電壓穿越模式狀態(tài)字發(fā)送給主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)根據(jù)當前轉(zhuǎn)速及電壓跌落深度輸出相應(yīng)的控制策略,啟動槳距控制,減少氣動力矩輸入,抑制風機轉(zhuǎn)速上升。3.2.1低電壓穿越假設(shè)風機在額定轉(zhuǎn)速下運行,槳距角為0°,此時進入低電壓穿越模式。依據(jù)國家電網(wǎng)的導入規(guī)則,電網(wǎng)電壓跌落20%,風機保持625ms不脫網(wǎng),在625ms后開始恢復,輸出功率以10%/s的功率遞增。這種情況下,若槳距角仍然保持0°,不做調(diào)整,在低電壓穿越結(jié)束時風機高速軸增加的轉(zhuǎn)速為:若電壓跌落到接近標稱值的90%,同上計算,機組超速350r/min左右。以上計算可以看出,在額定風速下進行低電壓穿越,若槳距角不做調(diào)整,風機高速軸的轉(zhuǎn)速將會增加338~350r/min左右。這樣會導致機組超速停機,不能實現(xiàn)低電壓穿越。因此在雙饋風電機組低電壓穿越的過程中,槳距角必須按照相應(yīng)的控制策略調(diào)整,減少風能的捕獲,防止機組超速。3.2.2機組在低電壓情況下的氣動載荷低電壓穿越過程中,轉(zhuǎn)矩從625ms起以10%/s(最惡劣的情況)的速度恢復,低電壓穿越結(jié)束(2s)時變流器提供的額定轉(zhuǎn)矩1127.5N·m,折算到低速側(cè)為119250N·m。為保證機組在低電壓穿越結(jié)束時不超速,就必須保證在低電壓結(jié)束時風輪輸入的氣動力矩不大于變流器加載在發(fā)電機上的電磁轉(zhuǎn)矩,而且這時發(fā)電機未達到極限轉(zhuǎn)速。而此時與2059r/min對應(yīng)的低速軸角速度為ω=2.0637rad/s,機組的傳動鏈阻尼為:28502×2.0637=58820,氣動力矩不能大于178070N·m,可以得到:依據(jù)GHBlade計算得10<β<12.5。經(jīng)過計算可以得出結(jié)論:在額定轉(zhuǎn)速下,只要保證機組變槳機構(gòu)在低電壓穿越過程結(jié)束時槳距角達到10°~12.5°就能保證機組不會再加速。經(jīng)計算加速度為15°/s2,速度為10°/s的電動變槳機構(gòu),在2s內(nèi)最大可能調(diào)整16.7°,可以穩(wěn)定在13.3°?？梢詽M足機組低電壓穿對槳距角的調(diào)整要求。4槳距角和槳葉角隨風速的變化特性主控系統(tǒng)在低電壓穿越期間的控制策略分為2個方面:一方面是對變槳機構(gòu)的控制,通過調(diào)整葉片的槳距角,減少風能的捕獲,降低輸入的氣動力矩,防止機組超速;另一方面是電壓恢復后快速、穩(wěn)定恢復有功功率的輸出。雙饋風電機組的轉(zhuǎn)速取決于風力機輸入功率和雙饋風電機組輸出功率之差。電網(wǎng)電壓驟降之后,風電機組進入低電壓穿越模式,輸出有功迅速下降。同時雙饋變流器會出現(xiàn)轉(zhuǎn)子過流、母線過壓等異常現(xiàn)象,導致啟動有源Crowbar電路及母線保護電路,封閉轉(zhuǎn)子側(cè)PWM變換器脈沖,使發(fā)電機提供的電磁阻轉(zhuǎn)矩迅速減小。若風輪的輸入轉(zhuǎn)矩不變,不平衡的轉(zhuǎn)矩將導致雙饋風電機組轉(zhuǎn)速快速上升,此時要求增大槳距角以減小風力機的輸入功率,從而阻止機組轉(zhuǎn)速上升,即實行變槳距控制。典型的變槳距控制方法如圖5所示,電網(wǎng)正常情況下,根據(jù)機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)槳距角β,使雙饋風電機組在一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實現(xiàn)最大風能追蹤的變速恒頻發(fā)電。電壓跌落時,啟用槳距角緊急控制,依據(jù)不同的風速、轉(zhuǎn)速及電壓跌落深度,調(diào)整葉片的槳距角,通過減小風電機組的輸入功率來適應(yīng)電網(wǎng)故障下輸出電能的減小。低電壓穿越期間,槳距角的控制方式有2種:一種是主控系統(tǒng)給出一個較大的槳距角設(shè)定值,變槳機構(gòu)通過內(nèi)部控制器以最大加速度及速度完成槳距角的調(diào)節(jié);另一種是主控系統(tǒng)直接給出EFC(EmergencyFeatherCommand)信號來控制變槳機構(gòu)以最快速度完成槳距角調(diào)整。EFC信號的脈沖寬度決定變槳機構(gòu)調(diào)節(jié)槳葉的角度。不同的變槳機構(gòu)處理EFC信號的方式是不一樣的。例如SSB變槳機構(gòu),主控系統(tǒng)輸出EFC信號,變槳機構(gòu)開始執(zhí)行緊急順槳動作,EFC信號取消后緊急順槳停止。這樣的系統(tǒng)就可以通過控制EFC信號的脈沖寬度調(diào)節(jié)槳距角。有的變槳機構(gòu)在收到EFC信號后,開始執(zhí)行緊急順槳動作,EFC信號取消后,其緊急順槳動作不停止,直到觸發(fā)限位開關(guān),這樣低電壓穿越期間的槳距角調(diào)節(jié)就不能通過EFC信號實現(xiàn)?？梢酝ㄟ^直接設(shè)定一個較大的槳距角,使得變槳機構(gòu)以最大的加速度和速度完成葉片槳距角的調(diào)整。緊急順槳時的槳距角數(shù)值可以通過試驗臺測試確定,超過此值,變槳機構(gòu)的加速度及速度將不再增加。實驗測定對于本文提到的加速度為15°/s2、速度為10°/s的電動變槳機構(gòu),在2s的時間內(nèi),角度設(shè)定為30°,即可實現(xiàn)近似EFC的最快速度調(diào)節(jié)。圖6是通過GHBLADE軟件對1.5MW、82m風輪機型雙饋風電機組仿真計算,在不同風速、不同的電壓跌落深度下,確保機組不超速時的槳距角變化趨勢圖。從圖中可以看出,額定風速以上,風速越大,葉片的初始槳距角越大,低電壓穿越過程中需要增加的槳距角越小,變槳機構(gòu)需要動作的時間越短。額定風速時,槳距角為0°,此時進入低電壓穿越變槳機構(gòu)需要調(diào)整的角度最大,需要緊急變槳的時間最長。電壓跌落深度不同,需要調(diào)整的槳距角也不同,電壓跌落的深度越小,持續(xù)時間越長,電磁阻轉(zhuǎn)矩失去的時間也就越長,變槳機構(gòu)需要調(diào)整的角度越大。從仿真的結(jié)果看,對于不同的電壓跌落深度,需要調(diào)整的槳距角變化不大,故在設(shè)計控制策略時可以依據(jù)50%跌落時的仿真結(jié)果調(diào)整槳距角。緊急順槳可以通過EFC信號或指定槳距角的位置控制模式進行。風速與緊急順槳時間的對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。在額定風速以下,緊急順槳的時間由式(1)計算。經(jīng)過BLADE軟件仿真計算,當風速小于8.6m/s,對應(yīng)機組轉(zhuǎn)速低于1665r/min時,槳距角保持0°進入低電壓穿越,機組不會超速,電磁轉(zhuǎn)矩恢復后,機組的轉(zhuǎn)速能夠恢復到接近穿越前的數(shù)值。因此機組轉(zhuǎn)速在低于此值時進入低電壓穿越,槳距角的控制策略可以沿用低電壓穿越前的方式進行,即保持原有的位置或速度控制模式。為確保低電壓穿越過程機組不發(fā)生超速停機,現(xiàn)場試驗時可以將這一臨界轉(zhuǎn)速適當降低,比如取1620r/min,作為是否進行緊急順槳的邊界。當機組轉(zhuǎn)速低于1620r/min時,機組進入低電壓穿越,不需要采用緊急順槳。機組轉(zhuǎn)速在1620~1800r/min時,風速約為8.6~10.5m/s,從圖7(a)可以看出,為保證機組不超速,需要的緊急順槳時間為1.5~1.62s。因此可以取緊急順槳時間為1.55s。高于額定風速,緊急順槳的時間由式(2)計算。由圖7(b)可以看出,當風速大于15m/s,需要緊急順槳的時間小于1s,對應(yīng)的槳距角變化小于3°,可以通過正常運行時的轉(zhuǎn)速控制PI調(diào)節(jié)器完成。風速在10.5~15m/s之間時,可以由式(2)計算結(jié)果給出緊急順槳時間。低電壓穿越期間的槳距角控制策略可以簡化為4個階段。低于1620r/min及風速大于15m/s時,槳距角的控制可以采用穿越前的方式,由轉(zhuǎn)速控制PI調(diào)節(jié)器給出;轉(zhuǎn)速在1620~1800r/min時,進入低電壓穿越后緊急順槳1.55s。當風速為10.5~15m/s時,采用式(2)計算緊急順槳時間。上述控制策略是基于圖1所示電壓跌落曲線?，F(xiàn)場測試時,電壓恢復時間較短,波形類似于方波。緊急順槳的執(zhí)行時間以計算結(jié)果及電壓恢復時刻先到者為限。電壓恢復后有功功率以500kW/s的速率恢復,當有功功率達到故障前給定值的90%時,將功率給定值降為50kW/s,直到輸出功率與穿越前相等,再將功率給定值降為5kW/s,直到輸出功率與當前轉(zhuǎn)速匹配,切換為根據(jù)機組轉(zhuǎn)速查表獲得功率給定值,槳距角轉(zhuǎn)為轉(zhuǎn)速控制器給出。低電壓穿越結(jié)束時,槳距角的回調(diào)與有功功率的給定是同步進行的,當機組輸入的氣動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機提供的電磁阻轉(zhuǎn)矩平衡時,機組穩(wěn)定運行。5mw雙饋變流器試驗圖8為110kW小功率試驗臺。該試驗臺由多抽頭變壓器、通用變頻器、拖動電機、雙饋發(fā)電機、雙饋變流器、輪轂、電動變槳機構(gòu)等組成。由通用變頻器拖動異步電機,異步電機通過聯(lián)軸器與雙饋發(fā)電機連接。利