針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙主控制器的低電壓穿越策略的研究與改進(jìn)方案

高錦星 莫爾兵 鄭大周 張 磊

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

針對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)艙主控制器的低電壓穿越策略的研究與改進(jìn)方案

高錦星 莫爾兵 鄭大周 張 磊

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽， 618000)

應(yīng)對(duì)全國范圍內(nèi)迅速展開的風(fēng)電各系統(tǒng)多種形式的并網(wǎng)試驗(yàn)測(cè)試，文章給出了雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組針對(duì)低電壓故障穿越 （低穿）的一種新的控制方案， 即過載超調(diào)策略。 原有的控制策略存在振動(dòng)等不穩(wěn)定因素， 功率 “凹坑” 和有功出力恢復(fù)緩慢等一系列技術(shù)難題。而過載超調(diào)控制策略是在國外主控廠家控制策略的基礎(chǔ)上，加以創(chuàng)新性質(zhì)的完善改進(jìn)工作，突破了低穿控制策略技術(shù)的封閉。本研究以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為技術(shù)支撐，加之科學(xué)理論分析，對(duì)于確定詳細(xì)的風(fēng)機(jī)并網(wǎng)測(cè)試低穿認(rèn)證具有重要的指導(dǎo)意義和實(shí)用價(jià)值。

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組； 過載超調(diào)控制策略； 低電壓穿越 （低穿）

0 引言

目前我國風(fēng)電發(fā)展迅速，但大規(guī)模風(fēng)電接入給電網(wǎng)帶來了一定的安全隱患。近期電網(wǎng)多次出現(xiàn)因風(fēng)電場(chǎng)電氣設(shè)備故障，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大規(guī)模脫網(wǎng)的情況，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。

依據(jù)國家能源局及國網(wǎng)公司要求，依據(jù)國內(nèi)各省調(diào)度 《省電網(wǎng)風(fēng)電運(yùn)行安全管理工作方案》開展風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越驗(yàn)證測(cè)試，國網(wǎng) 《風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》中對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。對(duì)于風(fēng)電裝機(jī)容量占電源總?cè)萘勘壤笥?%的省 （自治區(qū)）級(jí)電力系統(tǒng)，其電力系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)新增運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)應(yīng)具有低電壓穿越能力。

由于風(fēng)能具有非理想電能質(zhì)量與不可調(diào)度的特點(diǎn)，隨著風(fēng)電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)所占的比重不斷增大，其對(duì)整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的安全及電能品質(zhì)造成的沖擊也就越大，因此，研究風(fēng)電并網(wǎng)的運(yùn)行特性和改善其運(yùn)行過程中穩(wěn)定電網(wǎng)的能力是風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中關(guān)鍵的課題。

1 風(fēng)電低穿測(cè)試現(xiàn)狀

當(dāng)電網(wǎng)故障或擾動(dòng)引起風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓跌落時(shí)，在一定電壓跌落的范圍內(nèi)，風(fēng)電機(jī)組能夠不間斷并網(wǎng)運(yùn)行， 因此低電壓穿越功能 （Low Voltage Ride Through， LVRT）也 有 故 障 穿 越（Fault Ride Through， FRT ）的提法。 目前風(fēng)電占主導(dǎo)地位的一些國家，如丹麥、德國等相繼制定了新的電網(wǎng)運(yùn)行準(zhǔn)則，要求風(fēng)電系統(tǒng)具有一定的LVRT功能， 只有當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落低于規(guī)定曲線以后才允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，當(dāng)電壓在凹陷部分時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)提供無功功率支撐，而隨著我國風(fēng)電迅猛發(fā)展，在借鑒國外關(guān)于低穿功能的標(biāo)準(zhǔn)外，還增加了新的國網(wǎng)要求：自低穿故障清除時(shí)刻開始，風(fēng)機(jī)有功功率以至少10%額定功率/秒的功率變化率恢復(fù)至故障前的值。

電壓跌落是最常見的電網(wǎng)故障，其故障類型和比例為： 單相對(duì)地故障70%， 兩相對(duì)地故障15%， 相間故障10%， 三相故障5%。 因此需要專門的設(shè)備來模擬電網(wǎng)電壓跌落，對(duì)風(fēng)電系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試， 這種設(shè)備統(tǒng)稱為電壓跌落發(fā)生器 （Votage Sag Generator， VSG）。 常用的VSG拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 可以分為基于阻抗形式、基于變壓器形式和基于電力電子變換形式。

現(xiàn)以較常見的串聯(lián)電抗器形式VSG加以說明，其基本原理圖如圖1所示。 阻抗Xs是為了限制短路電流對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響。按照電壓跌落測(cè)試對(duì)外電網(wǎng)的可接受性來選擇其阻抗值。在電壓跌落之前和之后Xs可以連接一個(gè)旁路。 電壓跌落是依靠和阻抗Xp連接的開關(guān)Qsc產(chǎn)生的。 試驗(yàn)過程中用Xs和Xp阻抗的變化來調(diào)整電壓跌落深度。 測(cè)試需要在每個(gè)類型下連續(xù)進(jìn)行兩次測(cè)量，如果測(cè)試過程中風(fēng)電機(jī)組不切機(jī)并功率恢復(fù)速度達(dá)標(biāo)則通過驗(yàn)證， 出現(xiàn)切機(jī)或功率恢復(fù)速度低于每秒10%則不能通過驗(yàn)證。測(cè)試過程中出現(xiàn)不能通過驗(yàn)證情況，則整個(gè)試驗(yàn)結(jié)束。

圖1 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越試驗(yàn)VSG原理圖

VSG各系統(tǒng)又因模擬電網(wǎng)短路故障切入點(diǎn)不同， 而分為風(fēng)機(jī)690V出口和35kV出口， 其目的均為測(cè)試系統(tǒng)模擬電網(wǎng)220kV或者110kV以上的電網(wǎng)瞬時(shí)短路故障。

2 原裝進(jìn)口（老型號(hào)）主控低穿功能控制策略存在的問題

圖2和圖3分別給出了公司主流主控制器廠家采取的LVRT控制策略在電網(wǎng)實(shí)測(cè)中錄取的波形。

2.1 風(fēng)機(jī)有功功率曲線分析

同其他許多主控制器廠家一樣，盡管老型號(hào)主控控制策略在低穿期間增加了變槳和扭矩雙環(huán)控制，但是由于受到固有扭矩轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)查表法的功率控制限制，變槳系統(tǒng)的控制未能實(shí)質(zhì)性體現(xiàn)，扭矩控制也受到影響。而扭矩控制從故障瞬時(shí)值強(qiáng)制跌落為0Nm， 功率在1～2秒內(nèi)瞬間恢復(fù)至額定扭矩，實(shí)測(cè)顯示為略高于風(fēng)機(jī)額定扭矩設(shè)定值。這直接導(dǎo)致了低穿故障恢復(fù)期間，風(fēng)機(jī)有功出力大幅波動(dòng)，加之變槳滯后環(huán)節(jié)而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提升速率受限，顯然，必然出現(xiàn)功率凹坑和功率恢復(fù)緩慢現(xiàn)象。

因此，本質(zhì)原因是其控制策略中，變槳、轉(zhuǎn)速和扭矩三個(gè)核心控制元匹配不合理問題。

2.2 風(fēng)機(jī)無功功率曲線分析

為滿足國網(wǎng)LVRT期間無功功率響應(yīng)要求， 通過對(duì)變流器調(diào)參達(dá)到此目的， 如圖3所示。

圖2 風(fēng)電機(jī)組三相電壓對(duì)稱跌落有功功率曲線

圖3 風(fēng)電機(jī)組三相電壓對(duì)稱跌落無功功率曲線

3 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越解決方案——過載超調(diào)控制策略

針對(duì)老型號(hào)主控制器低穿功能控制策略存在的通病性問題，本文在理論可行性分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)反復(fù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，提出過載超調(diào)控制策略解決風(fēng)機(jī)低穿運(yùn)行不穩(wěn)定、低穿恢復(fù)期間存在功率凹坑和恢復(fù)緩慢、風(fēng)機(jī)低穿期間報(bào)超速等問題。

圖4 低電壓穿越的故障模型

圖4 為某風(fēng)電場(chǎng)低穿風(fēng)場(chǎng)抽檢實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) （主控端采集）。 過載超調(diào)控制策略闡述如下：

通過扭矩控制策略分段給定，目的是對(duì)控制系統(tǒng)的剛性柔化處理。當(dāng)電網(wǎng)電壓恢復(fù)瞬間，通過給定適當(dāng)?shù)呐ぞ卦O(shè)定值，既能有效抑制風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的迅速爬升，同時(shí)通過控制變流器電勵(lì)磁，可以盡量減少電網(wǎng)暫態(tài)故障對(duì)風(fēng)機(jī)機(jī)械傳動(dòng)鏈的慣性沖擊。

通過對(duì)扭矩恢復(fù)速率和扭矩恢復(fù)上限的合理設(shè)置，配合變流器扭矩跟蹤實(shí)際速率的特性，達(dá)到 （1～2秒時(shí)間范圍內(nèi)）扭矩實(shí)際恢復(fù)速率比較風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速速率提升呈現(xiàn)亞同步狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)有功功率恢復(fù)呈現(xiàn)以適當(dāng)可調(diào)速率的快速超發(fā)，以便克服影響測(cè)試通過率的功率凹坑和功率波動(dòng)。

因?yàn)闊o功支撐對(duì)變流器FRT要求較高， 且多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方無嚴(yán)格無功支撐硬性規(guī)定，故在此次低穿期間，未啟動(dòng)變流器無功支撐設(shè)置。

由于各省份測(cè)試方對(duì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的理解有差別，因此對(duì)于有功恢復(fù)秒級(jí)刻度有嚴(yán)格要求或者有功功率恢復(fù)至故障前90%范圍即認(rèn)可的測(cè)試方業(yè)已滿足， 而對(duì)于嚴(yán)格要求有功功率恢復(fù)速率10秒級(jí)至故障前風(fēng)機(jī)出力的測(cè)試方，則需進(jìn)一步完善過載超調(diào)控制策略。

具體改進(jìn)實(shí)現(xiàn)方法為：

（1）通過低穿故障碼暫態(tài)狀態(tài)觸發(fā)， 同時(shí)設(shè)置變槳系統(tǒng)快速收槳和開槳，抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的瞬時(shí)提升；

（2）適當(dāng)調(diào)低變槳收槳速率， 以避免變槳系統(tǒng)滯后環(huán)控制失調(diào)；

（3）適當(dāng)提高風(fēng)機(jī)扭矩恢復(fù)速率， 避開與風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行轉(zhuǎn)速扭矩表核心控制的耦合關(guān)系；

（4）合理提高變流器扭矩跟隨響應(yīng)速率， 避免實(shí)際測(cè)試過程中存在扭矩跟蹤偏差增大，從而導(dǎo)致風(fēng)機(jī)軟超速故障停機(jī)；

（5）為保證全國范圍內(nèi)的各風(fēng)場(chǎng)抽檢通過率，防止低穿測(cè)試改造存在的各種人為疏忽和風(fēng)機(jī)部套配置差異化等特殊情況，適當(dāng)調(diào)高風(fēng)機(jī)軟硬件超速設(shè)置值。

具體實(shí)測(cè)結(jié)果以圓滿完成低穿抽檢工作的某風(fēng)場(chǎng)42#被測(cè)風(fēng)機(jī)在各種工況下的測(cè)試波形為例證， 如圖5～圖10所示， 每幅圖上半部分為有功功率曲線，下半部分為電網(wǎng)電壓曲線。

圖5 大風(fēng)三相對(duì)稱跌落20%

圖6 大風(fēng)兩相不對(duì)稱跌落20%

圖7 大風(fēng)單相對(duì)地跌落20%

圖8 小風(fēng)三相對(duì)稱跌落20%

圖9 小風(fēng)兩相不對(duì)稱跌落20%

圖10 小風(fēng)單相對(duì)地跌落20%

4 結(jié)論

本文詳細(xì)闡述了過載超調(diào)方案的基本思想，針對(duì)功率恢復(fù)凹坑和恢復(fù)速率緩慢等問題，采取短時(shí)超發(fā)從而達(dá)到提升功率恢復(fù)速率和填補(bǔ)功率凹坑的目的。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：風(fēng)機(jī)在滿發(fā)狀態(tài)下進(jìn)入低穿，能夠在電網(wǎng)瞬時(shí)故障期間提供符合國標(biāo)要求的無功支撐，有功功率恢復(fù)最高達(dá)到1670kW； 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高達(dá)到1860r/min， 較以往低穿抽檢測(cè)試中存在有功出力達(dá)到2.2MW的尖峰小，對(duì)發(fā)電機(jī)和齒輪箱等傳動(dòng)鏈的瞬時(shí)沖擊也輕些。進(jìn)而，通過變槳系統(tǒng)的適當(dāng)快速收、開槳，使得過載超調(diào)方案日臻完善，并且相繼成功完成了全國范圍內(nèi)多個(gè)風(fēng)場(chǎng)的低穿抽檢測(cè)試，以及某風(fēng)場(chǎng)的廠內(nèi)實(shí)驗(yàn)工作等，證明了過載超調(diào)方案具有很強(qiáng)的可移植性。缺憾是在低穿過程中對(duì)風(fēng)機(jī)傳動(dòng)鏈仍然會(huì)有所沖擊；對(duì)低穿故障期間機(jī)組的振動(dòng)和電磁干擾等技術(shù)事宜有待深入開展研究。

[1] 遲永寧.各國風(fēng)電并網(wǎng)導(dǎo)則對(duì)低電壓穿越的要求.北京：中國電力科學(xué)研究院新能源研究所,2004:4-68

[2]JMorren,SW de Hann.Ride-through of wind turbines w ith doubly-fed induction generator during a voltage dip [J].IEEE Trans on Energy Conversion,2005,20(2):435-441

[3]Alan Mullanse,Gordon Lightbody,R Yacam ini.W indturbine fault ride-through enhancement[J].IEEE Transon Pow er Systems,2005,20(4):1929-1937

[4] 王濱, 潘貞存,徐丙垠. 配電系統(tǒng)電壓跌落問題的分析[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,28（2）：56-59

Research and Im prove on LVRT Strategy of DFIG w ith M ITA Controller

Gao Jinxing， Mo Erbing， Zheng Dazhou， Zhang Lei
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduces the new DFIG LVRT strategy,which is overload control strategy(OS)according to all kinds of grid tests.OS is an innovative research which bases on the foreign controllers.OShas done wellwith WT vibration,power pit and recover problems and so on.On account of scientific and virtual data,the LVRT technology research is useful for the simulation ofwind turbine andmakes a good preparation for the stability analysis on thewind farm.

DFIG,overload control strategy(OS),low voltageride through(LVRT)

高錦星 （1982-）， 男， 工程師， 主要從事風(fēng)機(jī)機(jī)艙主控器控制策略研究、 風(fēng)機(jī)國家并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及新型風(fēng)機(jī)的研發(fā)工作。