關(guān)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)改造的探討

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 柳廣興 陳 瑩

華能吉林通榆風(fēng)電分公司 孔凡更

1.前言

近幾年，國內(nèi)出現(xiàn)了數(shù)起風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)事故，影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行。為了滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要，避免因風(fēng)機(jī)大面積脫網(wǎng)而給電網(wǎng)帶來安全隱患，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組需要具有低電壓穿越性能。即風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組具有在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%的額定電壓時(shí)能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms的能力；以及風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后3s內(nèi)能夠恢復(fù)到額定電壓的90%時(shí)，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力[1]。

本文以對華能集團(tuán)吉林省通榆風(fēng)電分公司對該風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行LVRT(低電壓穿越)技術(shù)改造為實(shí)例進(jìn)行探討。2012年底，華能集團(tuán)吉林省通榆風(fēng)電分公司對現(xiàn)場134臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)組(ABB PLC+PM1000變頻器)成功的進(jìn)行了LVRT(低電壓穿越)技術(shù)改造，使風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備低電壓穿越功能，滿足了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

目前我國仍有一些安裝了與該廠(華銳SL1500型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組)相同或相似的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的中、小型風(fēng)力發(fā)電廠未進(jìn)行合理改造。希望通過本文能夠?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)組的改造提供些許思路，進(jìn)而為風(fēng)力發(fā)電事業(yè)做出些許貢獻(xiàn)。

2.改造措施

2.1 更換具備低電壓穿越功能的GTE150-SBP變頻器

同PM1000相比，GTE150-SBP提高了IGBT的容量[2]。在同等耐壓等級下，將IGBT的最大電流值從300A提高到了450A；將直流母排電容的耐壓限值從1100V提高到了1350V，容值從2000μF提高到4700μF；其正常工作電網(wǎng)電壓下限值從621V降至552V；變頻器也具備了低電壓穿越控制策略，保證風(fēng)機(jī)的不脫網(wǎng)低電壓運(yùn)行，完成穿越過程中對有功功率和無功功率的調(diào)節(jié)。故可通過換裝貼有“主動(dòng)CROWBAR、GTE協(xié)議”標(biāo)簽的GTE150-SBP，滿足在電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，且能夠?qū)﹄娋W(wǎng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)囊?。[3]

在安裝變頻器的過程中，我們發(fā)現(xiàn)變頻器內(nèi)部的230V繼電器電流限值為6A。但是在實(shí)際并網(wǎng)時(shí)，網(wǎng)側(cè)接觸器線圈電流有可能超過這個(gè)值，過流嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生接口“粘連”，導(dǎo)致無法正常并網(wǎng)甚至損壞變頻器，因此應(yīng)在GTE變頻器上額外增加一個(gè)230V繼電器，用于提高變頻器的并網(wǎng)驅(qū)動(dòng)功率。繼電器K352.2安裝在NCC320控制柜左側(cè)側(cè)板上、并網(wǎng)接觸器-K340.4上端不遠(yuǎn)處，如圖1所示：

圖1

GTE變頻器增加了網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓檢測功能，便于更好的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)同步，檢測線從K340.2.1/3/5端引出，這三根線連接到了LSC網(wǎng)側(cè)輸入濾波電容上，并送入變頻器進(jìn)行測量，可以用來檢測網(wǎng)側(cè)濾波電容電壓。

2.2 更換主動(dòng)CROWBAR

改造前的華銳SL1500型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及其它相似風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，一旦電網(wǎng)電壓跌落，直流母排電壓迅速升高，CROWBAR觸發(fā)，轉(zhuǎn)子電流通過CROWBAR電阻被泄放掉，被動(dòng)CROWBAR采用的是晶閘管控制，關(guān)斷不受控制，只有轉(zhuǎn)子電流低于安全閾值時(shí)才能關(guān)斷，如果風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)，風(fēng)機(jī)一直處于電動(dòng)狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流不會下降到安全閾值內(nèi)，所以為了關(guān)斷CROWBAR，必須脫網(wǎng)。發(fā)生電壓跌落后，電網(wǎng)比較脆弱，如果大批風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，會對電網(wǎng)造成進(jìn)一步?jīng)_擊，而且風(fēng)機(jī)的再次并網(wǎng)需要較長的時(shí)間，對于電網(wǎng)的恢復(fù)十分不利。而主動(dòng)CROWBAR用IGBT模塊替代晶閘管，實(shí)現(xiàn)了可控關(guān)斷，除了有效防止電網(wǎng)電壓跌落時(shí)直流母排過壓造成的變頻器及電容的損壞，還保證了在CROWBAR工作過程中，定子接觸器和網(wǎng)側(cè)接觸器均保持在吸合狀態(tài)，高效、可控的泄放轉(zhuǎn)子電能。

在更換主動(dòng)CROWBAR的過程中，本文建議對NCC320柜體進(jìn)行改造。因?yàn)橹鲃?dòng)CROWBAR及電阻的外觀結(jié)構(gòu)與被動(dòng)CROWBAR有很大區(qū)別，因此需要重新鉆孔，確定安裝位置。為了安裝CROWBAR電阻，同時(shí)將電阻連接線引入NCC320柜，需要更換NCC320柜的頂板，頂板除了用于安裝CROWBAR電阻，還要用于固定電阻外罩。此外，NCC310的頂板需要固定UPS及其外罩。

CROWBAR電路可固定在NCC320柜體左側(cè)原CROWBAR處，CROWBAR泄放電阻可固定在NCC320柜頂部。電纜從頂蓋的圓孔進(jìn)入柜體，電阻外安裝防護(hù)罩。新增加的CROWBAR控制電路24V保險(xiǎn)應(yīng)安裝在NCC310柜內(nèi)。

2.3 增加UPS(交流不間斷電源)

對于未經(jīng)改造的SL1500風(fēng)機(jī)，一旦新改造的主動(dòng)CROWBAR開始工作，風(fēng)機(jī)的定子接觸器和網(wǎng)側(cè)接觸器會立刻斷開，而且在電網(wǎng)電壓跌落期間，輪轂及機(jī)艙內(nèi)會出現(xiàn)供電故障，導(dǎo)致變槳系統(tǒng)與主控系統(tǒng)無法正常工作，例如變槳?jiǎng)x車制動(dòng)失靈，振動(dòng)傳感器失靈等。如果在230V供電回路中增加了230V交流UPS，就可以為系統(tǒng)中的網(wǎng)/機(jī)側(cè)接觸器線圈、輪轂24V、輪轂制動(dòng)電源和振動(dòng)傳感器等供電，保證電網(wǎng)電壓跌落期間風(fēng)機(jī)電氣系統(tǒng)的正常供電。[4]

安裝UPS時(shí)，UPS可固定在NCC310頂板上，電源線及信號線可分別從頂板預(yù)留的方孔進(jìn)入柜體。UPS外有防護(hù)罩，防護(hù)罩也可固定在頂板上。

本文建議將一個(gè)延時(shí)繼電器(K134.7)隨UPS裝箱，這樣就可以通過調(diào)節(jié)延時(shí)繼電器的箭頭所指時(shí)間，即延時(shí)時(shí)間，來控制繼電器兩燈的亮滅(繼電器的綠燈U點(diǎn)亮?xí)r表明繼電器的供電已正常，紅燈R點(diǎn)亮?xí)r表明其線圈已得電，即輔助觸點(diǎn)已動(dòng)作)。

此外，由于考慮到原有的NCC300控制柜內(nèi)的230V保險(xiǎn)F134.6容量太小，容易燒毀，故本文建議更換容量更大的保險(xiǎn)管，并更換保險(xiǎn)及輔助開關(guān)。

3.低電壓穿越技術(shù)改造測試

華能集團(tuán)吉林省通榆風(fēng)電分公司的低電壓穿越技術(shù)改造后，2013年6月通過了吉林省電科院的測試，符合低電壓穿越技術(shù)要求；通過近一年的運(yùn)行實(shí)踐，華能集團(tuán)吉林省通榆風(fēng)電分公司的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備了低電壓穿越性能，在為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了條件的同時(shí)，也證明了本文針對華銳SL1500型1.5MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)組改造方法的可行性與實(shí)用性。

3.1 電氣連接

需要注意的是，部分SL1500柜體，PM1000變頻模塊的電源在并網(wǎng)之前由-T216.2提供，并網(wǎng)后由變頻模塊內(nèi)部提供，該切換動(dòng)作通過繼電器K246.7工作。由于GTE變頻器內(nèi)部的24V電源不夠穩(wěn)定，尤其在電網(wǎng)電壓跌落過程中容易出現(xiàn)因電壓不穩(wěn)導(dǎo)致的通信及控制故障，我們修改了控制策略，取消了這一切換過程，但是-K246.7仍然具有復(fù)位變頻器的功能，這樣既可以為變頻器提供穩(wěn)定的24V電源，也可以在塔基對變頻器進(jìn)行復(fù)位，避免了需要爬上塔頂才能復(fù)位變頻器的弊病。

3.2 并網(wǎng)測試

并網(wǎng)測試可大致分以下四步：UPS測試、風(fēng)機(jī)故障排查、空載測試和手動(dòng)并網(wǎng)[5]。

(1)UPS測試

在箱變400V電源已提供的情況下，打開400V電源開關(guān)，等待10s，UPS通過延時(shí)繼電器自動(dòng)開啟，變槳網(wǎng)側(cè)接觸器K210.2吸合，T216.2帶電，輸出供控制系統(tǒng)使用的24V電壓，PLC啟動(dòng)，在PLC正常工作后，再將電池電源開關(guān)打開，一切正常說明延時(shí)繼電器工作正常，UPS可以延時(shí)啟動(dòng)。

(2)風(fēng)機(jī)故障排查

接通380VAC的電池組電源，在通訊面板上檢查是否有故障存在。如有故障，則排除相應(yīng)故障。如出現(xiàn)變頻器通訊故障，檢查變頻器光纖連接是否正確。LVRT的PLC控制程序可以使操作人員同時(shí)看到4個(gè)變頻器故障，從而防止了老版本程序中因?yàn)殡娋W(wǎng)丟失(此時(shí)尚未恢復(fù)690V供電，報(bào)故障是正?，F(xiàn)象)而無法觀察到其它變頻器故障的弊端；在排除故障之后，恢復(fù)690V供電。

(3)空載測試

變頻器并網(wǎng)后應(yīng)先空載5-10分鐘，觀察IGBT溫度、濾波底板溫度，溫度無異常后再進(jìn)行加載，水冷系統(tǒng)剛開始工作時(shí)，回路中可能存在氣體，導(dǎo)致散熱不均勻，水冷散熱問題可能需空載5-10分鐘方可發(fā)現(xiàn)(GTE150變頻器的IGBT溫度在65度以下均屬正常)。

(4)手動(dòng)并網(wǎng)

按照現(xiàn)場調(diào)試流程，對變頻器進(jìn)行測試。依次測試安全鏈觸發(fā)、CROWBAR觸發(fā)、并網(wǎng)、功率測試。如果在風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)的前提下進(jìn)行并網(wǎng)測試，會因?yàn)閳?bào)ConErr100(啟動(dòng)轉(zhuǎn)速低)故障而無法并網(wǎng)，因此必須在電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到1300RPM后才能進(jìn)行并網(wǎng)測試。

在機(jī)艙內(nèi)測試風(fēng)機(jī)，如果正常，開啟風(fēng)機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越(LVRT)技術(shù)改造完畢。

[1]魏林君,遲永寧,趙建國.雙饋?zhàn)兯亠L(fēng)電機(jī)組低電壓穿越控制[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(2):41-45.

[2]李峰,陸一川.大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電對電力系統(tǒng)的影響[J].中國電力,2006,39(11):80-84．

[3]王躋,羅成,鄔冬臨.對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)的探析[J].電工研究,2013,28(2):35-36．

[4]華澤嘉,高聚,陶維珣,路凱.幾種風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)分析[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2012,32(6):19-22．

[5]肖盛,張建華,郭世繁等.并網(wǎng)雙饋風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力研究[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,25(2):70-71．

孔凡更（1968—），電力安全工程師，現(xiàn)供職于華能吉林通榆風(fēng)電分公司。