1.5MW风机低电压穿越功能实现整机控制方案

-.z.1.5MW风力发电机组低电压穿越功能实现整机控制方案国电联合动力技术风电设备技术研究所-.z.-.z.低电压穿越整机控制方案国家电网公司对风力发电机组低电压穿越的技术规定基本要求按照国家电网公司风电场接入电网技术规定（修订版2009年2月）的第8节，风电场低电压穿越的要求如下：图1.1为对风电场的低电压穿越要求。风电场并网点电压在途中电压轮廓线及以上的区域时，场风电机组必须保证不间断并网运行；并网点电压在图中电压轮廓线以下时，场风电机组允许从电网切除。图1.1风电场低电压穿越要求的规定规定的风电场低电压穿越要求为：风电场的风电机组具有在并网点电压跌至20%额定电压时，能够保持并网运行625ms的低电压穿越能力；风电场并网点电压在发生跌落后3s能够恢复到额定电压的90%时，风电场的风电机组保持并网运行。国家电网出台的风电场接入电网技术规定（修订版2009年2月），是针对整个风电场所提的技术要求，具体检测点在整个风电场的并网点侧。目前，针对单机的低电压穿越能力考核也是以此规定的技术要求为标准。有功恢复对故障器件没有切出电网的风电场，其有功功率在故障切除后快速恢复，以至少10%额定功率/秒的功率变化率恢复至故障前的值。无功支撑变频器低电压实现有无功支撑选项，可以手动设无功百分比。不对称跌落下的故障穿越低电压穿越对风机中各设备的要求变流器双馈型发电机组，当电网瞬间跌落时，产生很大的初始电流，定子侧如此，根据磁通守恒定律，转子侧电流也很大。因为转子变流器输出电压和电流被限制，比较严重的电网故障时，变频器可能产生的电流不够维持转子电流，变频器必须保护。变流器需要提供有源CROWBAR，当变频器检测到电网电压下降时，将根据直流母线的电压控制CROWBAR部件的动作，泄放转子上的能量来抑制转子电压的升高。并网开关和网侧接触器继续保持在网。变频器要有无功支撑选项，可手动调节无功百分比。变频器要实现不对称跌落下的故障穿越。变桨系统变桨系统，主要在软件上实现低电压穿越功能，在检测到系统三相电压下降时，立即会切换到由后备电源的电池直接为变桨电机进行供电从而执行紧急顺桨动作，保证风机安全停机。具备低电压穿越功能的变桨系统在检测到系统三相电压下降时，由后备电源为变桨系统的控制器和伺服系统供电，保持3秒以上，在3秒之会继续接受风机主控系统的指令。当在低电压穿越的过程中，有功功率迅速下降至0左右，这样就需要快速调节桨叶角度，限制叶轮速度，使其保持在额定转速以下不超速。主控系统在控制系统中，对风机主控进行软件控制策略的改进。主要集中在对电压保护限值进行修改和低电压穿越子程序的修改。电压保护限制进行修改即当检测到电网电压低于图1曲线或电网电压灾区限制间或电网电压高于该曲线和90%Un之间时，同时未收到变流器处于低电压穿越状态的信号时风机才脱网停机。低电压穿越子程序在低电压穿越期间通过该程序，检测电网状态，控制风机和电网连接的同时并能够安全稳定运行在合适的区间，最后能在低电压穿越后能够迅速的进行有功恢复。双馈式风力发电机组整机的低电压穿越控制策略电网低电压检测主要依靠变频器发来低电压穿越状态启动信号作为控制起点，以ABB变频器为例：ACS800-67(LC)安装有基于硬件保护的装置叫做CROWBAR，分无源CROWBAR和有源CROWBAR。ABB变流器在检测到电网电压跌落之后，其控制模式将转换为电网支撑模式。同时ABB变流器的08.10CCUSTATUSWORD位的状态位将发生变化，主控系统通过检测这些状态为的变化将可以确认此时为低电压穿越状态。在检测到电网电压跌落之后，停止有功功率反馈，风力发电传动将控制转换为低电压穿越模式。在电网电压返回到原值之后，低电压穿越模式会被关闭，有功功率会以100ms的斜坡速率增加到设定值（从零到额定功率）。参见参数146.28TORQUERISETIME。B10LOWVOLTAGEFORRIDETHROUGH当电网电压低于146.03RTU/UnLEVEL1时置位。当电网电压高于146.03RTU/UnLEVEL1时复位。B8TORQUEREDUCTION当最终给定到DTC的转矩给定被限幅，以至于无法达到所需的转矩设定时，将被置位。B6CROWBARTRIGGERED当有源CROWBAR需要变为ON状态时，被置位。图3.1低电压穿越过程ABB变频器状态字变化过程图3.1中第一条浅蓝色为B10，第二条黄色为B8，第三条紫色为B6，第四条深蓝色为电网电压跌落的波形。低电压穿越过程中的控制流程控制器部分动作流程（1）有源CROWBAR动作，触发低电压子程序，有功输出趋近于0。（2）接受B6CROWBARTRIGGERED信号，控制转速在1200rpm，以最快速度10°/s变桨。（3）变桨过程检测转速加速度，设置停机限值。（4）低电压穿越全过程检测塔筒振动，设置停机限值。ABB变频器动作流程图3.2ABB变频器低电压穿越控制过程关键部件系统优化ABB变流器部参数设定地址数值说明146.01CROWBARHWTYPESelections无源CB，有源CB，2有源CBs146.18CBRESISTANCE450mohm146.19CBMA*ENERGY150kWs146.20CBOVTRIPLEVEL0VCB电压跳闸等级，达到设定值时报CBVOLTFAULT，部测试时设为0。146.22IRTRIGG-ONLEVEL2158.59ACB触发时的转子尖峰电流146.23UCTRIGG-ONLEVEL1170VCB触发时的直流电压146.24UCTRIG-OFFLEVEL1150VDCB桥电压测量值低于146.25并且直流电压低于146.24CB被释放。146.25CBTRIG-OFFLEVEL450V146.03RTU/UnLEVEL190%146.04RTU/UnLEVEL220%146.05RTU/UnDELTAt13000ms146.06RTU/UnDELTAt2625ms146.02电网支撑模式146.02OFF电网支撑部给定禁止使用146.02MA*.RMSVOLT基于电网电压最高测量值146.02POS.SEQVOLT基于电网电压最高正序值113.03LVRTIQREF如果146.02为OFF，可以通过此参数手动设定无功电流给定值电网支撑功能在电压跌落100…150ms后开始工作。这段时间是用来稳定发电机，之后传动产生容性无功支撑电网。电网支撑计算的无功电流给定值（A），不是无功功率KVAr给定值。电网支撑曲线决定了电网电压检测值与无功电流反馈的对应关系。当电网电压等于146.07时，控制程序将146.11设定值作为无功电流给定。不同电网电压等级，对应的无功电流给定：电压相对于额定的%146.07GSU/UnLEVEL190%146.08GSU/UnLEVEL250%146.09GSU/UnLEVEL325%146.10GSU/UnLEVEL415%对应无功电流反馈值：146.11GSIQREFLEVEL110%146.12GSIQREFLEVEL2100%146.13GSIQREFLEVEL3100%146.14GSIQREFLEVEL4100%变频器反馈的电流首先是用作无功支撑，如果反馈的电流充足，一部分用于有功。146.17TMA*/TN(LVRT)100%反馈电流充足时电机最大转矩146.51TMIN/TN(LVRT)3.00002%电机最小转矩，持续加载146.62RTMA*POWER100%低电压穿越的基本功率，当电网电压下降时功率也会比例下降。75%电网电压=75%功率，25%电网电压=25%功率，如果参数是120%，则对应的功率是1.275和1.225161.34RTACTUALPLIMIT0%变频器反馈功率最大值146.27KVARRISETIME150ms只有在低电压穿越时，参数才起作用146.28TORQUERISETIME100ms只有在低电压穿越时，参数才起作用CROWBAR触发时，转矩和kvAr给定值被清零。CROWBAR释放时，转矩和kvAr给定在一定时间恢复。CROWBAR触发时，需要检测转子最大电流尖峰，并限制转矩和无功给定值。电网电压低落到0或者电网不平衡很大时，为防止转子电流过高引起CB跳闸，变频器必须停止调制。146.21IRMA*PEAKLEVEL1777.66A最大转子电流尖峰值，高于该值时，转矩无功给定值不再增加146.39IRMA*SLOPESCALE507无功和转矩上升曲线降低如果监测到的电流值>[146.21]-[146.39]146.48IRMA*MEASURED0A检测电流尖峰值146.63U-/U+STARTDIS45%DTC调制必须停止如果（不平衡）电压负序/正序>45%146.64U(RMS)STARTDIS10%DTC调制必须停止如果电网电压（不平衡）<10%SSB变桨系统部设定主控PLC需要抑制EFC信号的复位，并且通过软件通讯对变桨系统发送复位指令，利用变桨系统的刹车来保持桨叶的位置，使之不能停机。在此阶段，当叶轮加速度和目前的叶轮转速表明可能超过最高转速，此时EFC信号必须设定为“0”。桨叶角度向90°方向运行，当主轴转速减小之后主控必须将EFC信号设置为“1”，此时桨叶停留在当前位置。在低电压穿越阶段，变桨发送的BTB信号将从1变为0，在此阶段由于BTB信号复位引起的一些列动作应该取消。MOOG变桨系统部设定当主电电网电压失效时，变桨系统是能自动运行的，与主电有效时一样。整个系统实现由如下图～图3.3.4实现。整个功能的实现参看图中红线部分。图为电池供电回路。当主电掉电时将电池电压经过图3.3.2回路直接输入到图3.3.3的PITCHMATER的DCLINK端，同时带动电机运行。图电池柜DC216V供电回路图轴柜DC216V供电回路图轴柜PITCHMATER直流环节供电回路图电机驱动回路整机控制系统程序优化控制策略分析主控部分现风机的主控检测当电网电压低于额定电压的90%延时100ms滞后，风机将脱网停机，为保证对低压穿越状态下风机能并网运行，需要对电压保护限值进行修改。编程思路为：当电网电压正常时，保持原检测模式不变，把低电压穿越过程分为三个阶段：从电压降至低于90%额定电压开始640ms电压不低于20%额定电压80v，电压检测模块不报故障；从低压穿越过程开始的第640ms至3s电压升至90%额定电压360v，电压检测模块不报故障；3s后低电压穿越完成，电压应保持在90%额定电压以上变桨部分主电电压跌落即进入低电压穿越区时，转矩突变为0，这样发电机转速势必要迅速上升甚至超速，下面就此问题进行分析。为了分析低电压穿越状态时转矩突变为0的情况，现场分析变流器报故障快速停机的过程数据。变流器报故障（二级故障）时，风机进入快速停机模式，风机立刻脱网，有功功率迅速下降至0。变桨控制器工作过程中，桨距角以不大于5.5°/s的速度顺桨至89°，此处与低电压穿越区的区别为目标转速为0rpm而不是17.4rpm，即变桨速度相对响应更快。采集风机运行过程中变流器报故障脱网后三秒的数据，可以看出叶轮转速在340ms加速到5.5°/s后保持此速度顺桨至89°，在脱网三秒时风机桨距角大约增加15°。图、3.4.2、3.4.3为风机脱网过程的主要数据时序图，图中四条曲线分别为风速，功率，桨距角和发电机转速。如图1当风速为14米/秒左右时，电压跌落200ms后开始顺桨，3秒后桨距角从3°顺桨至17°左右。在电压跌落2秒后，发电机转速从1750rpm上升至1960rpm，超出转速限制值1950rpm。当风速为15米/秒和17米/秒左右时，转速在电压跌落1.5秒后分别升至最大1910rpm和1890rpm后便开始下降。图风速为14/秒时的风机脱网过程数据时序图图风速为15米/秒时的风机脱网过程数据时序图图风速为17米/秒时的风机脱网过程数据时序图根据以上分析，在额定风速以上，风机脱网后初始桨距角越小发电机转速上升约高，越容易超速。因为没有风机在刚到额定转速时的脱网停机情况故障数据，按上述分析，可能发电机转速上升的最高值比图中还要高些。因此，风机在额定转速附近进行低电压穿越，即使在电压跌落后立即以5.5°/s的变桨速度进行顺桨，也不能保证叶轮不超速。变频器部分双馈变频器体积小，因为大约1/3额定功率通过变频器反馈到电网，主要通过定子发电。电网故障时，转子侧变频器容易受损，因此需要有严格电流限幅，需要特别关注。短路故障的起始状态：因为定子和转子的磁通耦合，变频器输出端会感应出很高的电压。CROWBAR作用是限制高电压，保护变频器不被损坏。变频器部需要对以下参数进行设置，146组的硬件设置（CROWBAR类型，跳闸极限），低电压穿越设置（何时跳闸），电网支撑曲线，功率设置曲线，无功和转矩斜坡上升时间，测量值控制程序修改变频器部分在低压穿越过程的上述三个阶段中，如检测电网电压低于允许的最低电压限值，则报error_grid_voltage_limit_min故障，主控系统中对电网电压检测超下限报程序需作如下修改：变频器的状态字converter_.converter_low_voltage_for_ride_through赋值给low_voltage_for_ride_through并把它定义为全局变量。新建一个结构化文本如下，具有低压穿越三个阶段的执行要求。修改grid_voltage中超过低电压限制报故障的功能模块，增加低电压穿越阶段的故障判定变量。b.主控程序变频器模块的修改当电网电压低于额定电压的20%后风机要求紧急停机，具体修改程序如下：变桨部分变桨系统主电跌落时将蓄电池电压经过供电回路直接输入PITCHMATER的DC_LINK端，pitchmaster正常工作60s带动电机运行，维持时间满足低电压穿越的时间，但变桨系统会反馈一些故障给主控系统需要处理。故障名称如下：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对低压穿越状态下3s变桨系统报出的故障进行屏蔽处理，程序实现如下：主控部分提高发电模式下变桨速度限制值（main_loop_pitch_speed_backward_limit原为5.5度/s），本身变桨系统的速度的最大限值为10度/s，变桨加速度为20保证转速波形的稳定的情况下适当降低转速的滤波因子（RotorspeedDeviation_InputFilter_TimeFactor_slow），提高变桨控制器对转速变化的响应速度。保证不超调和转速稳定的情况下调高变桨控制器中的P和D参数，变桨速度响应更快；有功恢复阶段，为保证转速的稳定性，调节转速控制器中滞环控制区间参数。变桨控制器增加AccMode模式，即变桨控制器转速背离值（实际值与设定值的差值）超过100rpm时，转速背离值不通过低通滤波器，进而提高转速变化的响应速度。具体实现如下：低电压穿越的恢复过程以ABB变频器为例，在电网电压恢复之后，ABB变频器的电网支撑模式会被关闭，有功功率会以100ms（该值为ABB变流器部的默认值）的斜坡速率增加到设定值（从零到额定功率）。参见参数146.28TORQUERISETIME。当ABB低电压穿越的信号消失时，主控切换至普通运行状态即可，此时需要重点观察过渡过程。同时由于在程序中限制功率输出最大为15%/s，满足电网的技术规定。调试方案ABB变频器电网跌落的起始和结束时，双馈