1.5MW風機低電壓穿越功能實現(xiàn)整機控制方案

-.z.1.5MW風力發(fā)電機組低電壓穿越功能實現(xiàn)整機控制方案國電聯(lián)合動力技術(shù)風電設(shè)備技術(shù)研究所-.z.-.z.低電壓穿越整機控制方案國家電網(wǎng)公司對風力發(fā)電機組低電壓穿越的技術(shù)規(guī)定基本要求按照國家電網(wǎng)公司風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版2009年2月）的第8節(jié)，風電場低電壓穿越的要求如下：圖1.1為對風電場的低電壓穿越要求。風電場并網(wǎng)點電壓在途中電壓輪廓線及以上的區(qū)域時，場風電機組必須保證不間斷并網(wǎng)運行；并網(wǎng)點電壓在圖中電壓輪廓線以下時，場風電機組允許從電網(wǎng)切除。圖1.1風電場低電壓穿越要求的規(guī)定規(guī)定的風電場低電壓穿越要求為：風電場的風電機組具有在并網(wǎng)點電壓跌至20%額定電壓時，能夠保持并網(wǎng)運行625ms的低電壓穿越能力；風電場并網(wǎng)點電壓在發(fā)生跌落后3s能夠恢復到額定電壓的90%時，風電場的風電機組保持并網(wǎng)運行。國家電網(wǎng)出臺的風電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定（修訂版2009年2月），是針對整個風電場所提的技術(shù)要求，具體檢測點在整個風電場的并網(wǎng)點側(cè)。目前，針對單機的低電壓穿越能力考核也是以此規(guī)定的技術(shù)要求為標準。有功恢復對故障器件沒有切出電網(wǎng)的風電場，其有功功率在故障切除后快速恢復，以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復至故障前的值。無功支撐變頻器低電壓實現(xiàn)有無功支撐選項，可以手動設(shè)無功百分比。不對稱跌落下的故障穿越低電壓穿越對風機中各設(shè)備的要求變流器雙饋型發(fā)電機組，當電網(wǎng)瞬間跌落時，產(chǎn)生很大的初始電流，定子側(cè)如此，根據(jù)磁通守恒定律，轉(zhuǎn)子側(cè)電流也很大。因為轉(zhuǎn)子變流器輸出電壓和電流被限制，比較嚴重的電網(wǎng)故障時，變頻器可能產(chǎn)生的電流不夠維持轉(zhuǎn)子電流，變頻器必須保護。變流器需要提供有源CROWBAR，當變頻器檢測到電網(wǎng)電壓下降時，將根據(jù)直流母線的電壓控制CROWBAR部件的動作，泄放轉(zhuǎn)子上的能量來抑制轉(zhuǎn)子電壓的升高。并網(wǎng)開關(guān)和網(wǎng)側(cè)接觸器繼續(xù)保持在網(wǎng)。變頻器要有無功支撐選項，可手動調(diào)節(jié)無功百分比。變頻器要實現(xiàn)不對稱跌落下的故障穿越。變槳系統(tǒng)變槳系統(tǒng)，主要在軟件上實現(xiàn)低電壓穿越功能，在檢測到系統(tǒng)三相電壓下降時，立即會切換到由后備電源的電池直接為變槳電機進行供電從而執(zhí)行緊急順槳動作，保證風機安全停機。具備低電壓穿越功能的變槳系統(tǒng)在檢測到系統(tǒng)三相電壓下降時，由后備電源為變槳系統(tǒng)的控制器和伺服系統(tǒng)供電，保持3秒以上，在3秒之會繼續(xù)接受風機主控系統(tǒng)的指令。當在低電壓穿越的過程中，有功功率迅速下降至0左右，這樣就需要快速調(diào)節(jié)槳葉角度，限制葉輪速度，使其保持在額定轉(zhuǎn)速以下不超速。主控系統(tǒng)在控制系統(tǒng)中，對風機主控進行軟件控制策略的改進。主要集中在對電壓保護限值進行修改和低電壓穿越子程序的修改。電壓保護限制進行修改即當檢測到電網(wǎng)電壓低于圖1曲線或電網(wǎng)電壓災區(qū)限制間或電網(wǎng)電壓高于該曲線和90%Un之間時，同時未收到變流器處于低電壓穿越狀態(tài)的信號時風機才脫網(wǎng)停機。低電壓穿越子程序在低電壓穿越期間通過該程序，檢測電網(wǎng)狀態(tài)，控制風機和電網(wǎng)連接的同時并能夠安全穩(wěn)定運行在合適的區(qū)間，最后能在低電壓穿越后能夠迅速的進行有功恢復。雙饋式風力發(fā)電機組整機的低電壓穿越控制策略電網(wǎng)低電壓檢測主要依靠變頻器發(fā)來低電壓穿越狀態(tài)啟動信號作為控制起點，以ABB變頻器為例：ACS800-67(LC)安裝有基于硬件保護的裝置叫做CROWBAR，分無源CROWBAR和有源CROWBAR。ABB變流器在檢測到電網(wǎng)電壓跌落之后，其控制模式將轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)支撐模式。同時ABB變流器的08.10CCUSTATUSWORD位的狀態(tài)位將發(fā)生變化，主控系統(tǒng)通過檢測這些狀態(tài)為的變化將可以確認此時為低電壓穿越狀態(tài)。在檢測到電網(wǎng)電壓跌落之后，停止有功功率反饋，風力發(fā)電傳動將控制轉(zhuǎn)換為低電壓穿越模式。在電網(wǎng)電壓返回到原值之后，低電壓穿越模式會被關(guān)閉，有功功率會以100ms的斜坡速率增加到設(shè)定值（從零到額定功率）。參見參數(shù)146.28TORQUERISETIME。B10LOWVOLTAGEFORRIDETHROUGH當電網(wǎng)電壓低于146.03RTU/UnLEVEL1時置位。當電網(wǎng)電壓高于146.03RTU/UnLEVEL1時復位。B8TORQUEREDUCTION當最終給定到DTC的轉(zhuǎn)矩給定被限幅，以至于無法達到所需的轉(zhuǎn)矩設(shè)定時，將被置位。B6CROWBARTRIGGERED當有源CROWBAR需要變?yōu)镺N狀態(tài)時，被置位。圖3.1低電壓穿越過程ABB變頻器狀態(tài)字變化過程圖3.1中第一條淺藍色為B10，第二條黃色為B8，第三條紫色為B6，第四條深藍色為電網(wǎng)電壓跌落的波形。低電壓穿越過程中的控制流程控制器部分動作流程（1）有源CROWBAR動作，觸發(fā)低電壓子程序，有功輸出趨近于0。（2）接受B6CROWBARTRIGGERED信號，控制轉(zhuǎn)速在1200rpm，以最快速度10°/s變槳。（3）變槳過程檢測轉(zhuǎn)速加速度，設(shè)置停機限值。（4）低電壓穿越全過程檢測塔筒振動，設(shè)置停機限值。ABB變頻器動作流程圖3.2ABB變頻器低電壓穿越控制過程關(guān)鍵部件系統(tǒng)優(yōu)化ABB變流器部參數(shù)設(shè)定地址數(shù)值說明146.01CROWBARHWTYPESelections無源CB，有源CB，2有源CBs146.18CBRESISTANCE450mohm146.19CBMA*ENERGY150kWs146.20CBOVTRIPLEVEL0VCB電壓跳閘等級，達到設(shè)定值時報CBVOLTFAULT，部測試時設(shè)為0。146.22IRTRIGG-ONLEVEL2158.59ACB觸發(fā)時的轉(zhuǎn)子尖峰電流146.23UCTRIGG-ONLEVEL1170VCB觸發(fā)時的直流電壓146.24UCTRIG-OFFLEVEL1150VDCB橋電壓測量值低于146.25并且直流電壓低于146.24CB被釋放。146.25CBTRIG-OFFLEVEL450V146.03RTU/UnLEVEL190%146.04RTU/UnLEVEL220%146.05RTU/UnDELTAt13000ms146.06RTU/UnDELTAt2625ms146.02電網(wǎng)支撐模式146.02OFF電網(wǎng)支撐部給定禁止使用146.02MA*.RMSVOLT基于電網(wǎng)電壓最高測量值146.02POS.SEQVOLT基于電網(wǎng)電壓最高正序值113.03LVRTIQREF如果146.02為OFF，可以通過此參數(shù)手動設(shè)定無功電流給定值電網(wǎng)支撐功能在電壓跌落100…150ms后開始工作。這段時間是用來穩(wěn)定發(fā)電機，之后傳動產(chǎn)生容性無功支撐電網(wǎng)。電網(wǎng)支撐計算的無功電流給定值（A），不是無功功率KVAr給定值。電網(wǎng)支撐曲線決定了電網(wǎng)電壓檢測值與無功電流反饋的對應關(guān)系。當電網(wǎng)電壓等于146.07時，控制程序?qū)?46.11設(shè)定值作為無功電流給定。不同電網(wǎng)電壓等級，對應的無功電流給定：電壓相對于額定的%146.07GSU/UnLEVEL190%146.08GSU/UnLEVEL250%146.09GSU/UnLEVEL325%146.10GSU/UnLEVEL415%對應無功電流反饋值：146.11GSIQREFLEVEL110%146.12GSIQREFLEVEL2100%146.13GSIQREFLEVEL3100%146.14GSIQREFLEVEL4100%變頻器反饋的電流首先是用作無功支撐，如果反饋的電流充足，一部分用于有功。146.17TMA*/TN(LVRT)100%反饋電流充足時電機最大轉(zhuǎn)矩146.51TMIN/TN(LVRT)3.00002%電機最小轉(zhuǎn)矩，持續(xù)加載146.62RTMA*POWER100%低電壓穿越的基本功率，當電網(wǎng)電壓下降時功率也會比例下降。75%電網(wǎng)電壓=75%功率，25%電網(wǎng)電壓=25%功率，如果參數(shù)是120%，則對應的功率是1.275和1.225161.34RTACTUALPLIMIT0%變頻器反饋功率最大值146.27KVARRISETIME150ms只有在低電壓穿越時，參數(shù)才起作用146.28TORQUERISETIME100ms只有在低電壓穿越時，參數(shù)才起作用CROWBAR觸發(fā)時，轉(zhuǎn)矩和kvAr給定值被清零。CROWBAR釋放時，轉(zhuǎn)矩和kvAr給定在一定時間恢復。CROWBAR觸發(fā)時，需要檢測轉(zhuǎn)子最大電流尖峰，并限制轉(zhuǎn)矩和無功給定值。電網(wǎng)電壓低落到0或者電網(wǎng)不平衡很大時，為防止轉(zhuǎn)子電流過高引起CB跳閘，變頻器必須停止調(diào)制。146.21IRMA*PEAKLEVEL1777.66A最大轉(zhuǎn)子電流尖峰值，高于該值時，轉(zhuǎn)矩無功給定值不再增加146.39IRMA*SLOPESCALE507無功和轉(zhuǎn)矩上升曲線降低如果監(jiān)測到的電流值>[146.21]-[146.39]146.48IRMA*MEASURED0A檢測電流尖峰值146.63U-/U+STARTDIS45%DTC調(diào)制必須停止如果（不平衡）電壓負序/正序>45%146.64U(RMS)STARTDIS10%DTC調(diào)制必須停止如果電網(wǎng)電壓（不平衡）<10%SSB變槳系統(tǒng)部設(shè)定主控PLC需要抑制EFC信號的復位，并且通過軟件通訊對變槳系統(tǒng)發(fā)送復位指令，利用變槳系統(tǒng)的剎車來保持槳葉的位置，使之不能停機。在此階段，當葉輪加速度和目前的葉輪轉(zhuǎn)速表明可能超過最高轉(zhuǎn)速，此時EFC信號必須設(shè)定為“0”。槳葉角度向90°方向運行，當主軸轉(zhuǎn)速減小之后主控必須將EFC信號設(shè)置為“1”，此時槳葉停留在當前位置。在低電壓穿越階段，變槳發(fā)送的BTB信號將從1變?yōu)?，在此階段由于BTB信號復位引起的一些列動作應該取消。MOOG變槳系統(tǒng)部設(shè)定當主電電網(wǎng)電壓失效時，變槳系統(tǒng)是能自動運行的，與主電有效時一樣。整個系統(tǒng)實現(xiàn)由如下圖～圖3.3.4實現(xiàn)。整個功能的實現(xiàn)參看圖中紅線部分。圖為電池供電回路。當主電掉電時將電池電壓經(jīng)過圖3.3.2回路直接輸入到圖3.3.3的PITCHMATER的DCLINK端，同時帶動電機運行。圖電池柜DC216V供電回路圖軸柜DC216V供電回路圖軸柜PITCHMATER直流環(huán)節(jié)供電回路圖電機驅(qū)動回路整機控制系統(tǒng)程序優(yōu)化控制策略分析主控部分現(xiàn)風機的主控檢測當電網(wǎng)電壓低于額定電壓的90%延時100ms滯后，風機將脫網(wǎng)停機，為保證對低壓穿越狀態(tài)下風機能并網(wǎng)運行，需要對電壓保護限值進行修改。編程思路為：當電網(wǎng)電壓正常時，保持原檢測模式不變，把低電壓穿越過程分為三個階段：從電壓降至低于90%額定電壓開始640ms電壓不低于20%額定電壓80v，電壓檢測模塊不報故障；從低壓穿越過程開始的第640ms至3s電壓升至90%額定電壓360v，電壓檢測模塊不報故障；3s后低電壓穿越完成，電壓應保持在90%額定電壓以上變槳部分主電電壓跌落即進入低電壓穿越區(qū)時，轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?，這樣發(fā)電機轉(zhuǎn)速勢必要迅速上升甚至超速，下面就此問題進行分析。為了分析低電壓穿越狀態(tài)時轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?的情況，現(xiàn)場分析變流器報故障快速停機的過程數(shù)據(jù)。變流器報故障（二級故障）時，風機進入快速停機模式，風機立刻脫網(wǎng)，有功功率迅速下降至0。變槳控制器工作過程中，槳距角以不大于5.5°/s的速度順槳至89°，此處與低電壓穿越區(qū)的區(qū)別為目標轉(zhuǎn)速為0rpm而不是17.4rpm，即變槳速度相對響應更快。采集風機運行過程中變流器報故障脫網(wǎng)后三秒的數(shù)據(jù)，可以看出葉輪轉(zhuǎn)速在340ms加速到5.5°/s后保持此速度順槳至89°，在脫網(wǎng)三秒時風機槳距角大約增加15°。圖、3.4.2、3.4.3為風機脫網(wǎng)過程的主要數(shù)據(jù)時序圖，圖中四條曲線分別為風速，功率，槳距角和發(fā)電機轉(zhuǎn)速。如圖1當風速為14米/秒左右時，電壓跌落200ms后開始順槳，3秒后槳距角從3°順槳至17°左右。在電壓跌落2秒后，發(fā)電機轉(zhuǎn)速從1750rpm上升至1960rpm，超出轉(zhuǎn)速限制值1950rpm。當風速為15米/秒和17米/秒左右時，轉(zhuǎn)速在電壓跌落1.5秒后分別升至最大1910rpm和1890rpm后便開始下降。圖風速為14/秒時的風機脫網(wǎng)過程數(shù)據(jù)時序圖圖風速為15米/秒時的風機脫網(wǎng)過程數(shù)據(jù)時序圖圖風速為17米/秒時的風機脫網(wǎng)過程數(shù)據(jù)時序圖根據(jù)以上分析，在額定風速以上，風機脫網(wǎng)后初始槳距角越小發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升約高，越容易超速。因為沒有風機在剛到額定轉(zhuǎn)速時的脫網(wǎng)停機情況故障數(shù)據(jù)，按上述分析，可能發(fā)電機轉(zhuǎn)速上升的最高值比圖中還要高些。因此，風機在額定轉(zhuǎn)速附近進行低電壓穿越，即使在電壓跌落后立即以5.5°/s的變槳速度進行順槳，也不能保證葉輪不超速。變頻器部分雙饋變頻器體積小，因為大約1/3額定功率通過變頻器反饋到電網(wǎng)，主要通過定子發(fā)電。電網(wǎng)故障時，轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器容易受損，因此需要有嚴格電流限幅，需要特別關(guān)注。短路故障的起始狀態(tài)：因為定子和轉(zhuǎn)子的磁通耦合，變頻器輸出端會感應出很高的電壓。CROWBAR作用是限制高電壓，保護變頻器不被損壞。變頻器部需要對以下參數(shù)進行設(shè)置，146組的硬件設(shè)置（CROWBAR類型，跳閘極限），低電壓穿越設(shè)置（何時跳閘），電網(wǎng)支撐曲線，功率設(shè)置曲線，無功和轉(zhuǎn)矩斜坡上升時間，測量值控制程序修改變頻器部分在低壓穿越過程的上述三個階段中，如檢測電網(wǎng)電壓低于允許的最低電壓限值，則報error_grid_voltage_limit_min故障，主控系統(tǒng)中對電網(wǎng)電壓檢測超下限報程序需作如下修改：變頻器的狀態(tài)字converter_.converter_low_voltage_for_ride_through賦值給low_voltage_for_ride_through并把它定義為全局變量。新建一個結(jié)構(gòu)化文本如下，具有低壓穿越三個階段的執(zhí)行要求。修改grid_voltage中超過低電壓限制報故障的功能模塊，增加低電壓穿越階段的故障判定變量。b.主控程序變頻器模塊的修改當電網(wǎng)電壓低于額定電壓的20%后風機要求緊急停機，具體修改程序如下：變槳部分變槳系統(tǒng)主電跌落時將蓄電池電壓經(jīng)過供電回路直接輸入PITCHMATER的DC_LINK端，pitchmaster正常工作60s帶動電機運行，維持時間滿足低電壓穿越的時間，但變槳系統(tǒng)會反饋一些故障給主控系統(tǒng)需要處理。故障名稱如下：error_pitch_main_status_battery_okerror_pitch_status_battery_voltage_ok_1error_pitch_error_battery_voltage_sys_1error_pitch_battery_undervoltage_sys_1error_pitch_battery_charger_error_bit0_sys_1error_pitch_battery_charger_error_bit1_sys_1error_pitch_convertererror_pitch_warning_voltage_dc_too_low_1error_pitch_main_supply_no_recover_after_eon對低壓穿越狀態(tài)下3s變槳系統(tǒng)報出的故障進行屏蔽處理，程序?qū)崿F(xiàn)如下：主控部分提高發(fā)電模式下變槳速度限制值（main_loop_pitch_speed_backward_limit原為5.5度/s），本身變槳系統(tǒng)的速度的最大限值為10度/s，變槳加速度為20保證轉(zhuǎn)速波形的穩(wěn)定的情況下適當降低轉(zhuǎn)速的濾波因子（RotorspeedDeviation_InputFilter_TimeFactor_slow），提高變槳控制器對轉(zhuǎn)速變化的響應速度。保證不超調(diào)和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下調(diào)高變槳控制器中的P和D參數(shù)，變槳速度響應更快；有功恢復階段，為保證轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速控制器中滯環(huán)控制區(qū)間參數(shù)。變槳控制器增加AccMode模式，即變槳控制器轉(zhuǎn)速背離值（實際值與設(shè)定值的差值）超過100rpm時，轉(zhuǎn)速背離值不通過低通濾波器，進而提高轉(zhuǎn)速變化的響應速度。具體實現(xiàn)如下：低電壓穿越的恢復過程以ABB變頻器為例，在電網(wǎng)電壓恢復之后，ABB變頻器的電網(wǎng)支撐模式會被關(guān)閉，有功功率會以100ms（該值為ABB變流器部的默認值）的斜坡速率增加到設(shè)定值（從零到額定功率）。參見參數(shù)146.28TORQUERISETIME。當ABB低電壓穿越的信號消失時，主控切換至普通運行狀態(tài)即可，此時需要重點觀察過渡過程。同時由于在程序中限制功率輸出最大為15%/s，滿足電網(wǎng)的技術(shù)規(guī)定。調(diào)試方案ABB變頻器電網(wǎng)跌落的起始和結(jié)束時，雙饋