针对双馈风电机组机舱主控制器的低电压穿越策略的研究与改进方案

圣言汽扮臻DONGFANGTURBINE39高锦星莫尔兵东方汽轮机有限公司。郑大周张磊四川德阳，618000摘要应对全国范围内迅速展开的风电各系统多种形式的并网试验测试文章给出了双馈异步风力发电机组针对低电压故障穿越低穿的一种新的控制方案。即过载超调策略。原有的控制策略存在振动等不稳定因素，功率“凹坑”和有功出力恢复缓慢等一系列技术难题。而过载超调控制策略是在国外主控厂家控制策略的基础上加以创新性质的完善改进工作，突破了低穿控制策略技术的封闭。本研究以现场实测数据为技术支撑，加之科学理论分析时于确定详细的风机并网测试低穿认证具有重要的指导意义和实用价值关键词双馈异步风力发电机组；过载超调控制策略；低电压穿越低穿RESEARCHANDIMPROVEONLVRTSTRATEGYOFDFLGWITHMITACONTROLLERGAOJINXING，MOERBING，ZHENGDAZHOU，ZHANGLEIDONGFANGTURBINECO，LTDDEYANGSICHUAN618000ABSTRACTTHISPAPERINTRODUCESTHENEWDFIGLVRTSTRATEGY，WHICHISOVERLOADCONTROLSTRATEGYOSACCORDINGTOALLKINDSOFGRIDTESTSOSISANINNOVATIVERESEARCHWHICHBASESONTHEFOREIGNCONTROLLERSOSHASDONEWELLWITHWTVIBRATION，POWERPITANDRECOVERPROBLEMSANDSOONONACCOUNTOFSCIENTIFICANDVIRTUALDATA，THELVRTTECHNOLOGYRESEARCHISUSEFULFORTHESIMULATIONOFWINDTURBINEANDMAKESAGOODPREPARATIONFORTHESTABILITYANALYSISONTHEWINDFARMKEYWORDSDFIG，OVERLOADCONTROLSTRATEGYOS，LOWVOHAGERIDETHROUGHLVRT0引言目前我国风电发展迅速但大规模风电接入给电网带来了一定的安全隐患。近期电网多次出现因风电场电气设备故障导致风电机组大规模脱网的情况，对电网安全稳定运行造成较大影响。依据国家能源局及国网公司要求依据国内作者简介高锦星1982一，男，1二程师，主要从事风机机舱主控器控制策略研究、风机嗣家并网实验验证及新型风机的研发_T作40IN怎BIN嵌E各省调度省电网风电运行安全管理工作方案开展风电机组低电压穿越验证测试，国网风电场接人电网技术规定中对于风电机组的低电压穿越能力进行了详细规定。对于风电装机容量占电源总容量比例大于5的省自治区级电力系统，其电力系统区域内新增运行的风电场应具有低电压穿越能力由于风能具有非理想电能质量与不可调度的特点随着风电系统在电力系统所占的比重不断增大，其对整个电网系统的安全及电能品质造成的冲击也就越大因此研究风电并网的运行特性和改善其运行过程中稳定电网的能力是风力发电技术中关键的课题当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时在一定电压跌落的范围内风电机组能够不问断并网运行因此低电压穿越功能LOWVOHAGERIDETHROUGH，LVRT也有故障穿越FAULTRIDETHROUGH，FRT的提法。目前风电占主导地位的一些国家，如丹麦、德国等相继制定了新的电网运行准则要求风电系统具有一定的LVRT功能只有当电网电压跌落低于规定曲线以后才允许风机脱网，当电压在凹陷部分时风机应提供无功功率支撑，而随着我国风电迅猛发展在借鉴国外关于低穿功能的标准外还增加了新的国网要求自低穿故障清除时刻开始风机有功功率以至少10额定功率秒的功率变化率恢复至故障前的值电压跌落是最常见的电网故障其故障类型和比例为单相对地故障70两相对地故障15，相间故障1O三相故障5。因此需要专门的设备来模拟电网电压跌落对风电系统进行测试这种设备统称为电压跌落发生器VOTAGESAGGENERATOR，VSG。常用的VSG拓扑结构，可以分为基于阻抗形式、基于变压器形式和基于电力电子变换形式现以较常见的串联电抗器形式VSGII以说明，其基本原理图如图1所示阻抗XS是为了限制短路电流对电网的冲击影响。按照电压跌落测试对外电网的可接受性来选择其阻抗值在电压跌落之前和之后XS可以连接一个旁路。电压跌落是依靠和阻抗XP连接的开关QSC产生的。试验过程中用XS和XP阻抗的变化来调整电压跌落深度。测试需要在每个类型下连续进行两次测量如果测试过程中风电机组不切机并功率恢复速度达标则通过验证，出现切机或功率恢复速度低于每秒10则不能通过验证。测试过程中出现不能通过验证情况。则整个试验结束QBP，_一箱变1并联电抗UXP图1风电场低电压穿越试验VSG原理图VSG各系统又因模拟电网短路故障切入点不同，而分为风机690VT口和35KV出口，其目的均为测试系统模拟电网220KV或者110KV以上的电网瞬时短路故障。图2和图3分别给出了公司主流主控制器厂家采取的LVRT控制策略在电网实测中录取的波形。21风机有功功率曲线分析同其他许多主控制器厂家一样尽管老型号主控控制策略在低穿期间增加了变桨和扭矩双环控制但是由于受到固有扭矩转速对应查表法的功率控制限制变桨系统的控制未能实质性体现扭矩控制也受到影响而扭矩控制从故障瞬时值强制跌落为0NM功率在12秒内瞬间恢复至额定扭矩。实测显示为略高于风机额定扭矩设定值这直接导致了低穿故障恢复期间风机有功出力大幅波动加之变桨滞后环节而导致的发电机转速提升速率受限，显然，必然出现功率凹坑和功率恢复缓慢现象。因此，本质原因是其控制策略中，变桨、转速和扭矩个核心控制元配不合理问题。22风机无功功率曲线分析为满足国LVRT期间无功功率响应要求通过对变流器调参达到此目的，如图3所示。图2风电机组相电压对称跌落有功功率曲线LL1LJ图3风电机组I相电压对称跌落无功功率曲线针X,L老型号王利裕ISR芽功I巨弪利，柬峪仔征的通病性问题，本文在理论可行性分析的基础上，经反复的现场测试提出过载超调控制策略解决风机低穿运行不稳定、低穿恢复期1“3存在功率凹坑和恢复缓慢、风机低穿期间报超速等问题。一，凡_心J、一R，、F。、。图4低电压穿越的故障模型图4为某风电场低穿风场抽检实测数据F主控端采集。过载超调控制策略阐述如下通过扭矩控制策略分段给定目的是对控制圣言汔论嵌L41DONGFANGTURBINE系统的刚性柔化处理当电网电压恢复瞬间通过给定适当的扭矩设定值既能有效抑制风机发电机转速的迅速爬升同时通过控制变流器电励磁可以尽量减少电网暂态故障对风机机械传动链的惯性冲击通过对扭矩恢复速率和扭矩恢复上限的合理设置配合变流器扭矩跟踪实际速率的特性达到12秒时间范围内扭矩实际恢复速率比较风机发电机转速速率提升呈现亚同步状态进而实现风机有功功率恢复呈现以适当可调速率的快速超发以便克服影响测试通过率的功率凹坑和功率波动因为无功支撑对变流器FRT要求较高且多数的现场测试方无严格无功支撑硬性规定故在此次低穿期间。未启动变流器无功支撑设置。由于各省份测试方对测试标准的理解有差别因此对于有功恢复秒级刻度有严格要求或者有功功率恢复至故障前90范围即认可的测试方业已满足而对于严格要求有功功率恢复速率L0秒级至故障前风机出力的测试方则需进一步完善过载超调控制策略具体改进实现方法为1通过低穿故障码暂态状态触发同时设置变桨系统快速收桨和开桨抑制发电机转速的瞬时提升2适当调低变桨收桨速率，以避免变桨系统滞后环控制失调3适当提高风机扭矩恢复速率避开与风机正常运行转速扭矩表核心控制的耦合关系4合理提高变流器扭矩跟随响应速率避免实际测试过程中存在扭矩跟踪偏差增大从而导致风机软超速故障停机5为保证全国范围内的各风场抽检通过率防止低穿测试改造存在的各种人为疏忽和风机部套配置差异化等特殊情况适当调高风机软硬件超速设置值具体实测结果以圆满完成低穿抽检工作的某风场42被测风机在各种工况下的测试波形为例证，如图5图10所示。每幅图上半部分为有功功率曲线，下半部分为电网电压曲线42LN怎BN妖E。RL鞭LLLI一一一一一一一I_图5大风相对称跌落20I；L；IJILLLLIILIIIIIIL一。一一_图6大风两相不对称跌落20一风单相对地跌落20LLLLLLL一_图8小风三相对称跌落20臻攫LL一图9小风两相不对称跌落20，FF，一一一7ILILLLLLLLLLILILLLLIILLLILAILLIL，0图L0小风单相对地跌落20本文详细阐述了过载超调方案的基本思想针对功率恢复凹坑和恢复速率缓慢等问题采取短时超发从而达到提升功率恢复速率和填补功率凹坑的目的。实测数据显示风机在满发状态下进入低穿能够在电网瞬时故障期间提供符合国标要求的无功支撑有功功率恢复最高达到1670KW；发电机转速最高达到1860DMIN，较以往低穿抽检测试中存在有功出力达到22MW的尖峰小对发电机和齿轮箱等传动链的瞬时冲击也轻些。进而，通过变桨系统的适当快速收、开桨，使得过载超调方案日臻完善并且相继成功完成了全国范围内多个风场的低穿抽检测试以及某风场的厂内实验工作等证明了过载超调方案具有很强的可移植性缺憾是在低穿过程中对风机传动链仍然会有所冲击对低穿故障期间机组的振动和电磁干扰等技术事宜有待深入开展研究。参考文献【1L迟永宁各国风电并网导则对低电压穿越的要求北京中国电力科学研究院新能源研究所2004468【2】JMORREN，SWDEHANNRIDETHROUGHOFWINDTURBINESWITHDOUBLYFEDINDUCTIONGENERATORDURINGAVO