雙饋?zhàn)兞髌鞲倪M(jìn)拓?fù)溲芯?/h1>
2019-02-18 11:12:36王則會(huì)吳文杰祝藝
風(fēng)能 2019年11期
王則會(huì) 吳文杰 祝藝
早期的雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)洳捎门渲枚ㄗ訑嗦菲鞯膯渭?jí)配電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，定子斷路器除提供故障保護(hù)外，還充當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常啟、停機(jī)時(shí)的并網(wǎng)開關(guān)，停機(jī)時(shí)必須斷開，以防止雙饋發(fā)電機(jī)在停機(jī)高轉(zhuǎn)差運(yùn)行下轉(zhuǎn)子高電壓損壞變流器。該拓?fù)湎到y(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，但由于每次停機(jī)時(shí)需斷開定子斷路器，對(duì)于風(fēng)況波動(dòng)頻繁的風(fēng)電場(chǎng)，定子斷路器的壽命會(huì)成為一個(gè)瓶頸。
為了解決早期變流器斷路器的壽命問題以及提高機(jī)組安全性能，當(dāng)前主流的雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)湟话悴捎谩爸鲾嗦菲?定子接觸器”的雙級(jí)配電結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對(duì)比之前只有定子斷路器的一級(jí)結(jié)構(gòu)，不論是風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)或變流器發(fā)生故障，還是機(jī)組并網(wǎng)及脫網(wǎng)時(shí)，定子接觸器都會(huì)斷開，從而減少主斷路器的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。
現(xiàn)有拓?fù)浯嬖诘膯栴}
一、定子側(cè)短路條件下的故障保護(hù)問題
對(duì)于大多數(shù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，雙饋發(fā)電機(jī)位于機(jī)艙，而雙饋?zhàn)兞髌魑挥谒＿@樣，雙饋發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子與雙饋?zhàn)兞髌髦g需通過較長(zhǎng)的導(dǎo)電軌或功率電纜相連接。如果導(dǎo)電軌安裝不良，或者運(yùn)行過程中發(fā)生螺絲松動(dòng)，可能造成相間或?qū)Φ囟搪罚憾绻β孰娎|接頭處理不良，也可能發(fā)生短路故障。此外，雙饋發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣損壞也可能引發(fā)短路故障，如圖3所示。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生定子側(cè)短路損壞接觸器的事故高達(dá)30起，造成的直接損失達(dá)300萬元。以1.5MW和2.0MW機(jī)型為例，定子側(cè)短路造成的直接損失如表1所示。其中，發(fā)電量的單次損失是按照停機(jī)一天來計(jì)算的。
二、大電流接觸器性能問題
風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)容量越來越大，其所適配的定子接觸器的電流容量也相應(yīng)地不斷提高。但是隨著電流容量的增加，接觸器的機(jī)械壽命顯著下降。
三、頻繁啟、停機(jī)條件下的并網(wǎng)時(shí)間問題
對(duì)于某些風(fēng)速變化頻繁的風(fēng)電場(chǎng)，可能經(jīng)常發(fā)生風(fēng)小停機(jī)后，來風(fēng)時(shí)立即再啟機(jī)的現(xiàn)象。現(xiàn)有雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)溆捎谠谕C(jī)后網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)均處于關(guān)閉狀態(tài)，故當(dāng)風(fēng)電機(jī)組重新啟動(dòng)時(shí)，變流器需要經(jīng)過預(yù)充電、網(wǎng)側(cè)調(diào)制、機(jī)側(cè)同步等過程。其中，變流器預(yù)充電時(shí)長(zhǎng)6s左右，機(jī)側(cè)同步時(shí)長(zhǎng)8s左右，整個(gè)啟機(jī)并網(wǎng)時(shí)間一般需要15s左右，這段時(shí)間會(huì)造成一定的發(fā)電量損失。雙饋?zhàn)兞髌鞯膯C(jī)過程如圖5所示。
雙饋?zhàn)兞髌鞲倪M(jìn)拓?fù)?/p>
為了改善風(fēng)電雙饋?zhàn)兞髌鞯男阅埽疚奶岢隽艘环N雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)涞母倪M(jìn)方法，嘗試解決風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)短路導(dǎo)致的變流器接觸器損壞問題，同時(shí)還引入了“熱待機(jī)”的概念，縮減機(jī)組正常重啟時(shí)的并網(wǎng)時(shí)間。
一、拓?fù)涓倪M(jìn)基本方案
（一）硬件方案
雙饋?zhàn)兞髌鞯男峦負(fù)湎鄬?duì)于圖2的現(xiàn)有拓?fù)涠裕饕菍⒃鲾嗦菲饕浦炼ㄗ踊芈罚纬啥ㄗ訑嗦菲鳎⒃谵D(zhuǎn)子端添加一個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器，作為風(fēng)電機(jī)組正常啟、停機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。
可以看出，雙饋?zhàn)兞髌鞯男峦負(fù)淙员３至藘杉?jí)配電結(jié)構(gòu)，采用“定子斷路器+轉(zhuǎn)子接觸器”的配置，網(wǎng)側(cè)設(shè)置帶熔斷保護(hù)的隔離開關(guān)。其中，定子斷路器用于機(jī)組的故障保護(hù)或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，而轉(zhuǎn)子接觸器則用作機(jī)組正常啟、停機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)。
（二）控制方案
在運(yùn)行邏輯上，針對(duì)新拓?fù)湓黾恿艘粋€(gè)待機(jī)狀態(tài)，變流器的基本狀態(tài)機(jī)如圖7所示。當(dāng)主控下達(dá)機(jī)組停機(jī)命令后，變流器先進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下，變流器只斷開轉(zhuǎn)子接觸器，定子斷路器保持閉合。待機(jī)狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)可降至零速。此時(shí)轉(zhuǎn)子端口呈現(xiàn)開口電壓，但該電壓會(huì)被轉(zhuǎn)子接觸器阻斷，不會(huì)波及機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變換器。若待機(jī)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，則再分?jǐn)喽ㄗ訑嗦菲鳎詣?dòng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。
二、機(jī)組重啟機(jī)時(shí)間優(yōu)化
雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)淇稍O(shè)置待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組因風(fēng)速低于切入風(fēng)速停機(jī)時(shí)，變流器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變換器保持調(diào)制工作模式，當(dāng)機(jī)組來風(fēng)，主控開槳、準(zhǔn)備完畢后，機(jī)側(cè)變換器即可發(fā)波并閉合轉(zhuǎn)子接觸器完成并網(wǎng)，流程如圖8所示。
實(shí)測(cè)表明，雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)湎碌牟⒕W(wǎng)時(shí)間得以大幅縮減，從變流器收到啟機(jī)命令到完成并網(wǎng)的時(shí)間在109ms左右，如圖9所示。
結(jié)論
從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來看，新式的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠減少雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速波動(dòng)時(shí)的重啟機(jī)時(shí)間，減少發(fā)電量損失。同時(shí)，這種兩級(jí)配電結(jié)構(gòu)可以平衡系統(tǒng)的保護(hù)性能和斷路器的使用壽命，所提出的待機(jī)狀態(tài)還可縮減系統(tǒng)的并網(wǎng)時(shí)間。本文所述雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)涞膽?yīng)用和推廣，將為提升雙饋風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)可靠性和現(xiàn)場(chǎng)可用率做出貢獻(xiàn)。
王則會(huì) 吳文杰 祝藝
早期的雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)洳捎门渲枚ㄗ訑嗦菲鞯膯渭?jí)配電結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其中，定子斷路器除提供故障保護(hù)外，還充當(dāng)風(fēng)電機(jī)組正常啟、停機(jī)時(shí)的并網(wǎng)開關(guān)，停機(jī)時(shí)必須斷開，以防止雙饋發(fā)電機(jī)在停機(jī)高轉(zhuǎn)差運(yùn)行下轉(zhuǎn)子高電壓損壞變流器。該拓?fù)湎到y(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低，但由于每次停機(jī)時(shí)需斷開定子斷路器，對(duì)于風(fēng)況波動(dòng)頻繁的風(fēng)電場(chǎng)，定子斷路器的壽命會(huì)成為一個(gè)瓶頸。
為了解決早期變流器斷路器的壽命問題以及提高機(jī)組安全性能，當(dāng)前主流的雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)湟话悴捎谩爸鲾嗦菲?定子接觸器”的雙級(jí)配電結(jié)構(gòu)，如圖2所示。對(duì)比之前只有定子斷路器的一級(jí)結(jié)構(gòu)，不論是風(fēng)電機(jī)組系統(tǒng)或變流器發(fā)生故障，還是機(jī)組并網(wǎng)及脫網(wǎng)時(shí)，定子接觸器都會(huì)斷開，從而減少主斷路器的動(dòng)作次數(shù)，延長(zhǎng)使用壽命。
現(xiàn)有拓?fù)浯嬖诘膯栴}
一、定子側(cè)短路條件下的故障保護(hù)問題
對(duì)于大多數(shù)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，雙饋發(fā)電機(jī)位于機(jī)艙，而雙饋?zhàn)兞髌魑挥谒＿@樣，雙饋發(fā)電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子與雙饋?zhàn)兞髌髦g需通過較長(zhǎng)的導(dǎo)電軌或功率電纜相連接。如果導(dǎo)電軌安裝不良，或者運(yùn)行過程中發(fā)生螺絲松動(dòng)，可能造成相間或?qū)Φ囟搪罚憾绻β孰娎|接頭處理不良，也可能發(fā)生短路故障。此外，雙饋發(fā)電機(jī)的定、轉(zhuǎn)子繞組絕緣損壞也可能引發(fā)短路故障，如圖3所示。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，某地區(qū)風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生定子側(cè)短路損壞接觸器的事故高達(dá)30起，造成的直接損失達(dá)300萬元。以1.5MW和2.0MW機(jī)型為例，定子側(cè)短路造成的直接損失如表1所示。其中，發(fā)電量的單次損失是按照停機(jī)一天來計(jì)算的。
二、大電流接觸器性能問題
風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)容量越來越大，其所適配的定子接觸器的電流容量也相應(yīng)地不斷提高。但是隨著電流容量的增加，接觸器的機(jī)械壽命顯著下降。
三、頻繁啟、停機(jī)條件下的并網(wǎng)時(shí)間問題
對(duì)于某些風(fēng)速變化頻繁的風(fēng)電場(chǎng)，可能經(jīng)常發(fā)生風(fēng)小停機(jī)后，來風(fēng)時(shí)立即再啟機(jī)的現(xiàn)象。現(xiàn)有雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)溆捎谠谕C(jī)后網(wǎng)側(cè)、機(jī)側(cè)均處于關(guān)閉狀態(tài)，故當(dāng)風(fēng)電機(jī)組重新啟動(dòng)時(shí)，變流器需要經(jīng)過預(yù)充電、網(wǎng)側(cè)調(diào)制、機(jī)側(cè)同步等過程。其中，變流器預(yù)充電時(shí)長(zhǎng)6s左右，機(jī)側(cè)同步時(shí)長(zhǎng)8s左右，整個(gè)啟機(jī)并網(wǎng)時(shí)間一般需要15s左右，這段時(shí)間會(huì)造成一定的發(fā)電量損失。雙饋?zhàn)兞髌鞯膯C(jī)過程如圖5所示。
雙饋?zhàn)兞髌鞲倪M(jìn)拓?fù)?/p>
為了改善風(fēng)電雙饋?zhàn)兞髌鞯男阅埽疚奶岢隽艘环N雙饋?zhàn)兞髌魍負(fù)涞母倪M(jìn)方法，嘗試解決風(fēng)電機(jī)組定子側(cè)短路導(dǎo)致的變流器接觸器損壞問題，同時(shí)還引入了“熱待機(jī)”的概念，縮減機(jī)組正常重啟時(shí)的并網(wǎng)時(shí)間。
一、拓?fù)涓倪M(jìn)基本方案
（一）硬件方案
雙饋?zhàn)兞髌鞯男峦負(fù)湎鄬?duì)于圖2的現(xiàn)有拓?fù)涠裕饕菍⒃鲾嗦菲饕浦炼ㄗ踊芈罚纬啥ㄗ訑嗦菲鳎⒃谵D(zhuǎn)子端添加一個(gè)轉(zhuǎn)子接觸器，作為風(fēng)電機(jī)組正常啟、停機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)，電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。
可以看出，雙饋?zhàn)兞髌鞯男峦負(fù)淙员３至藘杉?jí)配電結(jié)構(gòu)，采用“定子斷路器+轉(zhuǎn)子接觸器”的配置，網(wǎng)側(cè)設(shè)置帶熔斷保護(hù)的隔離開關(guān)。其中，定子斷路器用于機(jī)組的故障保護(hù)或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，而轉(zhuǎn)子接觸器則用作機(jī)組正常啟、停機(jī)的并網(wǎng)開關(guān)。
（二）控制方案
在運(yùn)行邏輯上，針對(duì)新拓?fù)湓黾恿艘粋€(gè)待機(jī)狀態(tài)，變流器的基本狀態(tài)機(jī)如圖7所示。當(dāng)主控下達(dá)機(jī)組停機(jī)命令后，變流器先進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)下，變流器只斷開轉(zhuǎn)子接觸器，定子斷路器保持閉合。待機(jī)狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)可降至零速。此時(shí)轉(zhuǎn)子端口呈現(xiàn)開口電壓，但該電壓會(huì)被轉(zhuǎn)子接觸器阻斷，不會(huì)波及機(jī)側(cè)及網(wǎng)側(cè)變換器。若待機(jī)時(shí)間超過設(shè)定時(shí)間，則再分?jǐn)喽ㄗ訑嗦菲鳎詣?dòng)進(jìn)入停機(jī)狀態(tài)。
二、機(jī)組重啟機(jī)時(shí)間優(yōu)化
雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)淇稍O(shè)置待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組因風(fēng)速低于切入風(fēng)速停機(jī)時(shí)，變流器進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。待機(jī)狀態(tài)下，網(wǎng)側(cè)變換器保持調(diào)制工作模式，當(dāng)機(jī)組來風(fēng)，主控開槳、準(zhǔn)備完畢后，機(jī)側(cè)變換器即可發(fā)波并閉合轉(zhuǎn)子接觸器完成并網(wǎng)，流程如圖8所示。
實(shí)測(cè)表明，雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)湎碌牟⒕W(wǎng)時(shí)間得以大幅縮減，從變流器收到啟機(jī)命令到完成并網(wǎng)的時(shí)間在109ms左右，如圖9所示。
結(jié)論
從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果來看，新式的變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠減少雙饋風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速波動(dòng)時(shí)的重啟機(jī)時(shí)間，減少發(fā)電量損失。同時(shí)，這種兩級(jí)配電結(jié)構(gòu)可以平衡系統(tǒng)的保護(hù)性能和斷路器的使用壽命，所提出的待機(jī)狀態(tài)還可縮減系統(tǒng)的并網(wǎng)時(shí)間。本文所述雙饋?zhàn)兞髌餍峦負(fù)涞膽?yīng)用和推廣，將為提升雙饋風(fēng)電機(jī)組的整機(jī)可靠性和現(xiàn)場(chǎng)可用率做出貢獻(xiàn)。
