液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)低電壓穿越的控制原理及測試分析

來云浩， 王軍偉

(1.甘肅安裝建設(shè)集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅 蘭州 730314)

0 引 言

國內(nèi)成功研制開發(fā)了一種液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)型，這種機(jī)型最大的優(yōu)點(diǎn)就在于通過前端調(diào)速技術(shù)，為后端的發(fā)電機(jī)提供恒定轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的同步并網(wǎng)，直接將風(fēng)能轉(zhuǎn)化成的電能饋入電網(wǎng)輸送出去。液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)與傳統(tǒng)的雙饋機(jī)型和直驅(qū)機(jī)型相比，其主要控制方法和運(yùn)行特性與同步發(fā)電技術(shù)原理基本相似。該機(jī)型的優(yōu)點(diǎn)在于具備調(diào)相運(yùn)行能力，可以為電網(wǎng)提供無功支撐所需，同步發(fā)電電能質(zhì)量品質(zhì)較好，電源諧波因數(shù)較低，對電網(wǎng)污染程度較小。同時(shí)取消了變流器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)還可以采用高壓發(fā)電機(jī)，從而取消風(fēng)機(jī)升壓箱式變壓器，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)型向高壓型發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，這些舉措均有利于節(jié)約風(fēng)電機(jī)組的投資成本。

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的前端調(diào)速系統(tǒng)主要由風(fēng)輪變槳系統(tǒng)和WinDrive液力變矩器來完成，其控制原理和調(diào)節(jié)特性直接影響到風(fēng)機(jī)能否穩(wěn)定運(yùn)行，以及低電壓穿越性能能否滿足要求。國內(nèi)對該機(jī)型技術(shù)研究相對較少，大多數(shù)主要是基于液力變矩器的風(fēng)力發(fā)電傳動原理研究。文獻(xiàn)[1]詳細(xì)分析了液力變矩器液力調(diào)速機(jī)械工作原理、液力調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性和動態(tài)特性。文獻(xiàn)[2]主要對液力變矩器輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范圍、液力變矩器的分流功率及傳動系統(tǒng)的效率進(jìn)行了數(shù)學(xué)理論推導(dǎo)。該機(jī)型列入科技部國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目后，已進(jìn)入技術(shù)可行性研究階段。文獻(xiàn)[3]對前端調(diào)速式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組柔性傳動鏈關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及建模與仿真分析，并對傳動鏈誤差做了分析研究。文獻(xiàn)[4]對風(fēng)速、風(fēng)輪空氣動力學(xué)、傳動鏈動力學(xué)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與仿真分析。文獻(xiàn)[5]對前端調(diào)速式風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行理論、風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)控制、并網(wǎng)運(yùn)行特性、并網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了建模分析論證。文獻(xiàn)[6]主要對功率優(yōu)化控制進(jìn)行控制策略研究并進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[7]對風(fēng)電機(jī)組無刷同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要是基于變論域模糊PID勵(lì)磁控制、基于灰色預(yù)測PID勵(lì)磁控制、以及基于雙模糊的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)等理論研究。在風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越能力方面,文獻(xiàn)[8]對無功控制進(jìn)行了研究分析及仿真。文獻(xiàn)[9]主要對低電壓穿越工況時(shí)的機(jī)組控制策略和風(fēng)電場控制策略、WinDrive可調(diào)式液力變矩器速度控制、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制進(jìn)行了研究分析。

綜上所述，雖然是基于液力變矩器在風(fēng)電應(yīng)用中的分析和研究，但對機(jī)組構(gòu)造和控制策略的設(shè)計(jì)均是建立在純理論假設(shè)基礎(chǔ)上，而且對響應(yīng)特性及控制性能驗(yàn)證只能通過仿真分析得出，與實(shí)際機(jī)型運(yùn)行狀況還有差異。因此，在該機(jī)型投入實(shí)踐應(yīng)用后，有必要從使用角度上，對低電壓穿越性能相關(guān)的前端調(diào)速系統(tǒng)(包括變槳控制和液力變矩控制的控制原理及響應(yīng)特性)、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)等環(huán)節(jié)的實(shí)際應(yīng)用控制策略，以及發(fā)生低電壓穿越時(shí)前端調(diào)速系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的響應(yīng)過程進(jìn)行分析和揭示，并通過實(shí)地測試來證明低電壓穿越性能是能夠滿足技術(shù)要求的。

1 液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的前端調(diào)速控制模式

1.1 液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的基本構(gòu)造

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組由風(fēng)輪變槳系統(tǒng)、主齒輪箱、WinDrive液力變矩器、電勵(lì)磁三相無刷同步發(fā)電機(jī)四個(gè)部分組成。機(jī)組結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 低速驅(qū)動鏈的前端調(diào)速模式

這種機(jī)型低速驅(qū)動鏈的前端調(diào)速系統(tǒng)主要由風(fēng)輪系統(tǒng)來完成，風(fēng)輪系統(tǒng)主要由葉片、輪轂和變槳系統(tǒng)等部件構(gòu)成。葉片是風(fēng)能的捕獲系統(tǒng)，可將捕獲的風(fēng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能。風(fēng)輪是否能夠最大限度地獲取風(fēng)能與風(fēng)速和風(fēng)輪的尖速比有關(guān)。由此轉(zhuǎn)化的旋轉(zhuǎn)機(jī)械能產(chǎn)生的風(fēng)輪轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的大小而變化，風(fēng)速越大，獲得的能量越大，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也就越高。但受風(fēng)機(jī)系統(tǒng)各部件機(jī)械強(qiáng)度的限制，不能無限度增大風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，這就需要對風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速加以控制。

變槳系統(tǒng)是低速驅(qū)動鏈的前端調(diào)速系統(tǒng)的核心調(diào)速元件，由風(fēng)機(jī)主控程序的槳矩控制器和變槳系統(tǒng)的變槳控制器兩部分組成。主控程序?qū)L(fēng)輪轉(zhuǎn)速給定信號與傳感器采集到的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，得到轉(zhuǎn)速的差值及加速度值，通過模糊控制器計(jì)算出變槳速度，進(jìn)而由控制器輸出模塊計(jì)算出槳矩角及變槳速度。槳矩角和變槳速度參數(shù)輸入給變槳系統(tǒng)的控制器，其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成變槳，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到預(yù)定的設(shè)定值。

當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越時(shí)，發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩瞬時(shí)減小，風(fēng)輪機(jī)械轉(zhuǎn)矩大于發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩必然引起風(fēng)輪加速，產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速差值及加速度經(jīng)模糊控制器運(yùn)算后反饋給變槳系統(tǒng)，變槳系統(tǒng)根據(jù)槳矩角和變槳速度也會實(shí)時(shí)調(diào)整槳葉開度，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速重新恢復(fù)到預(yù)定值。

主控程序的變槳模糊控制器采用二維雙輸入單輸出模糊控制，采用設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速的誤差e和誤差變化率ec作為輸入變量，即以風(fēng)輪設(shè)定轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速差值及轉(zhuǎn)速值加速度為參量，以變槳槳矩角變化量作為輸出變量。本文模糊控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

轉(zhuǎn)速差值的論域?yàn)?/p>

e=

{-3,-1,-0.75,-0.5, 0, 0.5, 0.75, 1, 3}

(1)

轉(zhuǎn)速值加速度論域?yàn)?/p>

ec={-0.005,-0.003,-0.002,-0.001,

0,0.001, 0.002, 0.003, 0.005}

(2)

變槳槳矩角變化量論域?yàn)?/p>

Δu={-10,-4,-2, 0, 2, 4, 10}

(3)

主控程序的槳矩控制器的模糊控制器是根據(jù)兩參量大小變化規(guī)則，選擇適當(dāng)?shù)淖儤獦亟堑淖兓枯敵鲋狄?guī)則進(jìn)行運(yùn)算。模糊規(guī)則集如表1所示。

表1 模糊規(guī)則表

根據(jù)轉(zhuǎn)速差和轉(zhuǎn)速加速度通過模糊控制運(yùn)算，可以選擇適當(dāng)?shù)脑鲆嫦禂?shù)，來計(jì)算槳矩角和變槳速度參數(shù)，從而快速準(zhǔn)確地控制前端系統(tǒng)低速驅(qū)動鏈的轉(zhuǎn)速。對于液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)來說，其前端調(diào)速系統(tǒng)低速驅(qū)動鏈的轉(zhuǎn)速設(shè)定值為16.35 r/min。因此前端驅(qū)動鏈實(shí)際轉(zhuǎn)速也就控制在額定點(diǎn)16.35 r/min附近運(yùn)行。

圖3為轉(zhuǎn)速差的輸入輸出變量隸屬函數(shù)，圖4為加速度的輸入輸出變量隸屬函數(shù)。

圖3 轉(zhuǎn)速差的輸入輸出變量隸屬函數(shù)

圖4 加速度的輸入輸出變量隸屬函數(shù)

主控程序控制器輸出模塊計(jì)算槳矩角時(shí)，槳矩角β還有限幅器環(huán)節(jié)，槳矩角最小限幅βmin=0°，槳矩角最大限幅βmax=89°。需要提醒，在較低風(fēng)速時(shí)，受槳矩角最小限幅的約束，風(fēng)機(jī)槳葉最小開度只能調(diào)整到0°，這時(shí)槳葉開度已經(jīng)是全迎風(fēng)狀態(tài)了。這就意味著風(fēng)輪已經(jīng)最大限度地捕捉風(fēng)能了，但風(fēng)輪轉(zhuǎn)速還是達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速，而只能在低于額定轉(zhuǎn)速的某個(gè)轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，相應(yīng)地發(fā)電功率也就達(dá)不到額定功率，這就是風(fēng)機(jī)功率曲線的低風(fēng)速低功率運(yùn)行段。

1.3 高速驅(qū)動鏈的前端調(diào)速模式

高速驅(qū)動鏈的前端調(diào)速系統(tǒng)主要由齒輪箱和液力變矩器組成，齒輪箱由一組定齒數(shù)齒輪機(jī)構(gòu)組成，各齒輪齒數(shù)一旦設(shè)計(jì)定型后傳動比就是固定的了，因此齒輪箱屬于一級有級變速機(jī)構(gòu)。風(fēng)輪轉(zhuǎn)速經(jīng)該有級變速機(jī)構(gòu)增速后輸入給液力變矩器，液力變矩器由差速行星輪系、定軸輪系和可調(diào)式變矩器三級組成。差速行星齒輪是一組無級變速輪系，可以通過改變變矩器可調(diào)式導(dǎo)葉開度來調(diào)節(jié)工作油流量，從而改變液力變矩器的傳動比，其目的就是在輸入轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速變化時(shí)，使液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)速達(dá)到恒定不變。

根據(jù)空氣動力學(xué)貝茲理論，風(fēng)輪吸收的風(fēng)功率與風(fēng)輪掃掠面積和風(fēng)速的三次方成正比。在忽略損耗的前提下，風(fēng)輪吸收功率與發(fā)電機(jī)輸出功率滿足能量守恒定律。由此，風(fēng)能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩和風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩間必然存在著轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系。假設(shè)整個(gè)液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)傳動鏈看作一個(gè)多質(zhì)量塊彈簧阻尼系統(tǒng)，由此推導(dǎo)出的傳動系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型及發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速關(guān)系式如下[10]：

(4)

式中：JW為風(fēng)輪與低速軸轉(zhuǎn)動慣量總和；JT為液力變矩器渦輪輸出軸轉(zhuǎn)動慣量；JS為液力變矩器太陽輪輸出軸轉(zhuǎn)動慣量；JG為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；MR為液力變矩器環(huán)輪轉(zhuǎn)矩；MT為液力變矩器渦輪轉(zhuǎn)矩；MB為液力變矩器泵輪轉(zhuǎn)矩；ME為同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；DW為低速軸阻尼系數(shù)；DG為同步發(fā)電機(jī)阻尼系數(shù)；iRS1、iRS2分別為液力變矩器差速行星輪系、定軸輪系的傳動比；iW為齒輪箱傳動比；ωW為風(fēng)輪角速度;ωG為發(fā)電機(jī)角速度。

液力變矩器兩級輪系的傳動比iRS1、iRS2由齒數(shù)決定，其為常數(shù)，令k=(1-iRS1)iW、b=iRS1/iRS2，則發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系式變?yōu)?/p>

ωG=kωW+bωT

(5)

由此可見，無論是正常工作模式還是低電壓穿越模式下，只要前端傳遞來轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩變化，液力變矩器均將進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸出轉(zhuǎn)速維持不變。要想有效地控制液力變矩器的輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，只有通過可調(diào)式導(dǎo)葉來控制液力變矩器的渦輪轉(zhuǎn)矩MT，從而改變同步發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而改變輸出轉(zhuǎn)矩。同時(shí)改變液力變矩器的傳動比，使輸出轉(zhuǎn)速滿足發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速要求。

2 液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁控制模式

液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)是一種傳統(tǒng)的電勵(lì)磁無刷三相同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用自動電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，本機(jī)型選用ABB Unitrol 1010自動電壓調(diào)節(jié)器。Unitrol 1010調(diào)節(jié)器的控制模式可以根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行切換，電壓調(diào)節(jié)模式有兩種：電壓控制模式和功率因數(shù)控制模式。

主控程序在檢測到風(fēng)機(jī)具備切入條件時(shí)啟動風(fēng)機(jī)，轉(zhuǎn)速達(dá)到投勵(lì)門檻值時(shí)對電壓調(diào)節(jié)器發(fā)出投勵(lì)指令，并將調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)模式設(shè)為電壓控制模式，調(diào)節(jié)器根據(jù)檢測到的網(wǎng)側(cè)電壓調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)端電壓與網(wǎng)側(cè)電壓保持相等。當(dāng)調(diào)節(jié)器同期檢測裝置檢測到同步信號時(shí)進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)成功后由風(fēng)機(jī)主控程序發(fā)出功率因數(shù)控制指令，電壓調(diào)節(jié)器切換至功率因數(shù)控制模式，調(diào)節(jié)器根據(jù)發(fā)電機(jī)的有功功率調(diào)整勵(lì)磁電流使發(fā)電機(jī)功率因數(shù)恒定。風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁控制要采用功率因數(shù)控制模式的原因是，一個(gè)風(fēng)電場的各條匯集線路上有多臺風(fēng)機(jī)，這些風(fēng)機(jī)沿集電線路呈 “T”接分布。因此，“T”接點(diǎn)不同造成每個(gè)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓各不相同，而且各并網(wǎng)點(diǎn)電壓偏差還隨風(fēng)機(jī)出力變化而變化。如果采用電壓控制模式，電壓差異會造成各風(fēng)機(jī)的無功功率很難分配平衡。采用功率因數(shù)控制模式就可以解決該問題，在發(fā)電機(jī)恒功率因數(shù)模式下，無功功率隨風(fēng)機(jī)有功出力的變化而變化，但總體來說功率因數(shù)維持不變，從而使各臺風(fēng)機(jī)無功出力隨有功出力大小平衡分配。

除此之外，ABB Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器還有強(qiáng)勵(lì)功能，該功能是一種風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)有效應(yīng)對低電壓穿越防止風(fēng)機(jī)切出的措施。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，風(fēng)機(jī)入網(wǎng)點(diǎn)電壓必將產(chǎn)生一定的跌落，這種跌落會造成發(fā)電機(jī)的電磁功率減小。風(fēng)機(jī)的整個(gè)傳動鏈?zhǔn)且粋€(gè)大慣量環(huán)節(jié)，風(fēng)機(jī)對機(jī)械轉(zhuǎn)矩調(diào)整有一定的響應(yīng)時(shí)間，因此風(fēng)輪輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩調(diào)整存在延遲響應(yīng)現(xiàn)象，這種延遲響應(yīng)可能會造成風(fēng)機(jī)動態(tài)轉(zhuǎn)矩平衡打破，嚴(yán)重時(shí)會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失步解網(wǎng)。

同步發(fā)電機(jī)的電磁功率關(guān)系式為[11]

(6)

由式(6)可以看出，一般地，電磁功率最大點(diǎn)對應(yīng)的功角δmax在<90°附近，功角范圍在0≤δ<90°內(nèi)屬于發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定區(qū)，在90°≤δ≤180°范圍內(nèi)屬于非穩(wěn)定區(qū)。在電網(wǎng)短路故障電壓U跌落一個(gè)ΔU值時(shí)，無論對第一項(xiàng)基本電磁功率還是第二項(xiàng)附加電磁功率，電壓跌落均會使電磁功率減小。如果不及時(shí)采取措施，輸入機(jī)械功率將大于發(fā)電電磁功率，平衡關(guān)系的破壞會使驅(qū)動鏈形成加速轉(zhuǎn)矩，加速轉(zhuǎn)矩使同步發(fā)電機(jī)的功角δ增大，電磁功率會有一定地提高。但是，功角增大電磁功率未必一直增大，當(dāng)功角δ繼續(xù)增大越過功角最大點(diǎn)δmax，將進(jìn)入非穩(wěn)定區(qū)反而會使電磁功率減小，會使功率不平衡加劇從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失步解列。

另一方面，由式(6)還可以看出，在電網(wǎng)短路故障發(fā)生電壓跌落時(shí)，如果能夠及時(shí)提高發(fā)電機(jī)空載電動勢E0，使第一項(xiàng)基本電磁功率增大，從而補(bǔ)償電壓跌落引起的電磁功率減少，這也是同步發(fā)電機(jī)防止失步解列的一種普遍方法。需要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)通過電壓調(diào)節(jié)器進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)以便增大氣隙磁通量，使空載電動勢E0大幅提高。這就是說，在發(fā)生電網(wǎng)短路故障時(shí)，風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)的自動電壓調(diào)節(jié)器必須具備強(qiáng)勵(lì)功能，而發(fā)電機(jī)本身也要具有過勵(lì)能力。風(fēng)力發(fā)電機(jī)也能夠有效地抑制電壓跌落時(shí)電磁功率減少問題。

3 液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的低電壓穿越能力

若電網(wǎng)發(fā)生短路故障電壓跌落時(shí)，在網(wǎng)發(fā)電機(jī)組均各自保護(hù)切出，會加劇電網(wǎng)事故進(jìn)一步擴(kuò)大甚至潰網(wǎng)，這屬于電力網(wǎng)調(diào)度的嚴(yán)重事故。為此，通過不斷地分析研究，認(rèn)為風(fēng)電機(jī)組在電網(wǎng)電壓跌落時(shí)維持一定時(shí)間不脫網(wǎng)，承擔(dān)起電網(wǎng)故障時(shí)有功和無功支撐的需要，有利于電網(wǎng)事故的快速恢復(fù)。因此，要求風(fēng)電機(jī)組必需具有一定限度的低電壓運(yùn)行能力。國家標(biāo)準(zhǔn)要求風(fēng)機(jī)必需按GB/T 19963—2011的規(guī)定，在一定的低壓跌落范圍內(nèi)不允許風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)，涉網(wǎng)風(fēng)機(jī)必需經(jīng)過低電壓穿越認(rèn)證測試，認(rèn)證通過方可入網(wǎng)。

3.1 低電壓穿越時(shí)Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器勵(lì)磁響應(yīng)特性

Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器由兩組電壓采樣接口，可以同時(shí)監(jiān)測電網(wǎng)電壓和發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓。另外，Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器按優(yōu)先等級依次有待機(jī)、同期、手動、開環(huán)、電壓跌落補(bǔ)償、功率因數(shù)、無功功率、自動(即電壓)八種控制模式，自動控制模式優(yōu)先級最低[12]。

Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器的控制模型宜選用IEEE類型AC7B[13]，控制策略如圖5所示。

其中，VUEL為欠勵(lì)限幅器輸出；VS為電力系統(tǒng)穩(wěn)定環(huán)節(jié)(PSS)環(huán)節(jié)反饋量；Vc為端電壓和負(fù)載補(bǔ)償輸出；VRef為電壓調(diào)節(jié)器給定電壓；VRMAX、VRMIN、VAMAX、VAMIN分別為電壓調(diào)節(jié)器最大、最小限幅；VFEMAX、VEMIN分別為勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流最大、最小限幅；EFD、IFD分別為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流；VT、IT分別為發(fā)電機(jī)電壓、電流；VFE為與交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流成正比的電壓反饋量；VX為勵(lì)磁機(jī)飽和效應(yīng)的比例電壓；VE為勵(lì)磁機(jī)正比于換向電抗的反向電壓；交流勵(lì)磁機(jī)的磁路飽和效應(yīng)通過S[VE]函數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償；KE、KD、SE分別交流勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁系數(shù)、電樞反應(yīng)系數(shù)、飽和系數(shù)；KC分別整流器正比于換向電抗的負(fù)載系數(shù)；KPR、KIR、KDR分別為PID調(diào)節(jié)器比例、積分、微分系數(shù)；KPA、KIA分別為PI調(diào)節(jié)器比例、積分系數(shù)；KF、KF1、KF2分別為勵(lì)磁控制系統(tǒng)穩(wěn)定增益；TE為交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁繞組開路時(shí)間常數(shù)；TF為勵(lì)磁控制系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間常數(shù)；TD為PID調(diào)節(jié)器時(shí)間常數(shù)；FEX=f[IN]勵(lì)磁源負(fù)載電流增加引起的換相壓降修正函數(shù)。

圖5 勵(lì)磁系統(tǒng)控制模型

風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到切入風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)起動運(yùn)行并隨著風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高達(dá)到投勵(lì)轉(zhuǎn)速門檻值時(shí)，風(fēng)機(jī)主控程序向Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器發(fā)送投勵(lì)指令，此時(shí)，電壓調(diào)節(jié)器的默認(rèn)模式為電壓控制，此模式給定值為額定標(biāo)稱電壓，發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓至額定電壓。起勵(lì)建壓完成后，風(fēng)機(jī)主控程序根據(jù)風(fēng)況實(shí)時(shí)調(diào)整風(fēng)輪變槳系統(tǒng)槳矩角，當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足并網(wǎng)條件時(shí)，主控運(yùn)行模式轉(zhuǎn)至切入模式，同時(shí)給Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器發(fā)送同步指令，調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入同期模式。當(dāng)風(fēng)機(jī)檢測到同期信號并網(wǎng)成功后，主控程序進(jìn)入運(yùn)行模式，風(fēng)機(jī)主控和風(fēng)輪變槳系統(tǒng)根據(jù)風(fēng)況實(shí)時(shí)調(diào)整槳矩角，使風(fēng)輪轉(zhuǎn)速維持在額定風(fēng)輪轉(zhuǎn)速。同時(shí)，Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)入功率因數(shù)模式，風(fēng)機(jī)根據(jù)風(fēng)速大小向電網(wǎng)輸送有功出力的同時(shí)并輸送相應(yīng)比例的無功出力，保持功率因數(shù)恒定。

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行階段如果電網(wǎng)發(fā)生短路故障，當(dāng)電壓跌落殘壓達(dá)到低電壓穿越門檻值時(shí)，風(fēng)機(jī)主控程序接收到保護(hù)單元發(fā)出的低電壓穿越指令后，立刻將風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式切至低電壓穿越模式，這種運(yùn)行模式下，主控程序?qū)L(fēng)輪轉(zhuǎn)速給定值調(diào)整至95%額定轉(zhuǎn)速，并將變槳速度提高至正常并網(wǎng)模式的1.2倍，即可以保證限制風(fēng)輪獲取相對較小的風(fēng)能，又可以提高風(fēng)速變化時(shí)槳矩角調(diào)整的響應(yīng)速度。

對于Unitrol 1010電壓調(diào)節(jié)器，一旦風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越運(yùn)行模式，主控程序同時(shí)將電壓調(diào)節(jié)器的控制模式切至電壓控制模式。調(diào)節(jié)器根據(jù)自身檢測的機(jī)端電壓跌落深度，自動起動強(qiáng)勵(lì)環(huán)節(jié)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)勵(lì)，增大無功出力以支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。

3.2 液力變矩器的低電壓穿越響應(yīng)

液力變矩器采用德國Voith公司的WinDrive液力變矩器，由差速行星輪系、定軸輪系和可調(diào)式變矩器三級組成。可調(diào)式變矩器是核心的變矩調(diào)速單元。WinDrive液力變矩器有獨(dú)立控制單元WCU，由其對WinDrive液力變矩器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。WCU控制模式分為靜止、爬行、同步、并網(wǎng)、TVS、手動、加熱、甩載八種模式[14]，WCU控制程序可以根據(jù)風(fēng)況和風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況進(jìn)行模式切換。WinDrive結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 WinDrive結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)電網(wǎng)短路故障發(fā)生時(shí)，電壓跌落會造成發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩下降，此時(shí)，為了使發(fā)電機(jī)不失步脫網(wǎng)，只有有效地降低發(fā)電機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩，才能使轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系重新建立起來，這就需要液力變矩器對輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩能夠迅速調(diào)整。

發(fā)電機(jī)的保護(hù)單元檢測到并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落深度達(dá)到低電壓穿越門檻值時(shí)，向風(fēng)機(jī)主控程序發(fā)送信號，風(fēng)機(jī)主控程序接到信號后，立刻將風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式切至“LVRT”低電壓穿越模式，同時(shí)，將低穿命令發(fā)送給WCU控制單元。WCU接到命令后將液力變矩器的控制模式切至“TVS”低穿模式，在這種模式下，可調(diào)式液力變矩器將導(dǎo)葉調(diào)整至10%開度。這樣，前端風(fēng)輪傳遞來的能量被分為兩部分：一部分能量通過液力變矩器輸入軸經(jīng)行星輪架傳遞給太陽輪，再經(jīng)太陽輪輸出軸傳遞給發(fā)電機(jī)；另一部分能量由可調(diào)式液力變矩器經(jīng)中心輪固定輪、環(huán)輪回到太陽輪形成閉環(huán)，可調(diào)式變矩器將導(dǎo)葉調(diào)至10%開度就是為了增大此閉環(huán)回路的能量傳遞，從而有效地減小太陽輪輸出軸傳遞給發(fā)電機(jī)的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。

在低電壓穿越工況下，主控程序每隔4 ms檢測一次保護(hù)單元低穿信號，判斷電網(wǎng)電壓是否恢復(fù)，若電壓已經(jīng)恢復(fù)則退出低穿模式，進(jìn)入正常并網(wǎng)運(yùn)行模式；若電壓持續(xù)跌落并且時(shí)間大于標(biāo)準(zhǔn)要求的跌落時(shí)限，保護(hù)單元啟動電網(wǎng)失敗跳閘切出風(fēng)機(jī)。另外，風(fēng)機(jī)主控程序檢測到風(fēng)機(jī)低電壓穿越運(yùn)行時(shí)間大于10 s時(shí)，也會自動轉(zhuǎn)入正常并網(wǎng)運(yùn)行模式。

4 低電壓穿越的測試驗(yàn)證

該機(jī)型在風(fēng)電場建成投運(yùn)后，必須按國家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW 392—2009 《風(fēng)電場接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》和IEC61400-21:2008MeasurementandAssessmentofPowerQualityCharacteristicsofGridConnectedWindTurbines要求，進(jìn)行低電壓穿越能力測試。

針對測試機(jī)型，液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組風(fēng)機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)如表2所示。

經(jīng)委托第三方檢測認(rèn)證機(jī)構(gòu)，對該機(jī)型在風(fēng)速6 m/s以下和風(fēng)速9 m/s以上兩種風(fēng)況、測試功率0.1Pn≤P≤0.3Pn和P>0.9Pn兩種出力下，電網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路故障或兩相不對稱短路故障，電壓跌落深度分別為20%Un、35%Un、50%Un、75%Un、90%Un時(shí)共計(jì)40個(gè)工況點(diǎn)進(jìn)行測試。通過實(shí)地測試證明，在風(fēng)機(jī)滿出力時(shí)，入網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生電壓跌落深度20%UN的低電壓穿越對風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)要求最為苛刻，原因是此時(shí)風(fēng)機(jī)屬于重載穿越，要求各個(gè)控制系統(tǒng)響應(yīng)既要滿足快速性要求，又要滿足精確性要求，并且風(fēng)機(jī)不能出現(xiàn)無阻尼振蕩，電壓恢復(fù)后又能及時(shí)恢復(fù)正常出力。圖7所示檢測結(jié)果為2.0 MW液力變矩型同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電壓跌落至20%UN、P=2 000 kW、cosφ=0.9時(shí)低電壓穿越測試情況。

表2 風(fēng)機(jī)基本參數(shù)

測試結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)機(jī)入電網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生深度為20%UN、持續(xù)時(shí)間625 ms電壓跌落時(shí)，如圖7(a)所示，受升壓變壓器阻抗影響發(fā)電機(jī)端電壓跌落深度值最低為38%UN。發(fā)電機(jī)在625 ms的跌落期內(nèi)，由圖7(c)可以看出，有功功率迅速減小并越過零點(diǎn)在-40%額定功率點(diǎn)基本維持穩(wěn)定。這是由于主控程序啟動了“低電壓穿越”模式產(chǎn)生的結(jié)果，同時(shí)，主控要求液力變矩器WCU啟動“TVS”模式，并將可調(diào)式變矩器導(dǎo)葉調(diào)至10%開度，降低發(fā)電機(jī)的輸入功率，從而防止轉(zhuǎn)矩失去平衡使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生失步。另一方面，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)啟動強(qiáng)勵(lì)模式，使發(fā)電機(jī)無功功率迅速增大到272%的額定無功功率左右，為電網(wǎng)提供無功支撐使電壓盡可能地恢復(fù)。

圖7 20%UN、P=2 000 kW、cos φ=0.9低電壓穿越測試波形

同時(shí)，圖7(d)表明， WinDrive液力變矩器對轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，625 ms跌落期內(nèi)，通過實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速在額定點(diǎn)附近波動范圍-3.8%～+7.3%，并且經(jīng)過一段時(shí)間的阻尼振蕩后趨于穩(wěn)定。由圖7(e)可以看出，發(fā)電機(jī)頻率以50 Hz為基值，大約在-1.25 Hz～+1.8 Hz范圍內(nèi)波動。這表明由于變壓器存在阻抗，使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)連接特性趨于變軟。因此，雖然電網(wǎng)頻率并未改變，但發(fā)電機(jī)側(cè)頻率波動使發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)產(chǎn)生了一種疊頻效應(yīng)，這種情況也有利于發(fā)電機(jī)在低電壓穿越時(shí)不發(fā)生失步。

從圖7(f)液力變矩器輸入轉(zhuǎn)速波動情況來看，由于液力變矩器調(diào)節(jié)速度相對較快，液力變矩器輸出轉(zhuǎn)矩大幅下降后，風(fēng)輪由于存在過剩轉(zhuǎn)矩必將加速，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速也將出現(xiàn)波動，波動峰值約為+9.5%的風(fēng)輪額定轉(zhuǎn)速。而風(fēng)輪和齒輪箱組成了一級大慣量傳動鏈環(huán)節(jié)，使變槳系統(tǒng)對低速鏈的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)呈現(xiàn)出響應(yīng)速度相對較慢，調(diào)節(jié)周期較長的響應(yīng)特征，從低穿開始到轉(zhuǎn)速趨于穩(wěn)定大約持續(xù)了6～8 s的時(shí)間。6～8 s以后階段主要是風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)變槳系統(tǒng)正常調(diào)節(jié)情況，不能記作低電壓穿越時(shí)變槳系統(tǒng)對風(fēng)輪轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)范疇。

電壓跌落恢復(fù)后，發(fā)電機(jī)有功功率以33.3%/s的速率恢復(fù)、無功功率以57.3%/s的速率恢復(fù)，整個(gè)過程大約歷時(shí)3.0 s左右發(fā)電機(jī)很快恢復(fù)正常出力，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和頻率也趨于正常，整個(gè)低電壓穿越過程中并未發(fā)生失步脫網(wǎng)。

5 結(jié) 語

測試認(rèn)證結(jié)果證明，該型號機(jī)組滿足國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19963—2011對低電壓穿越能力的要求，故障期間機(jī)組不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行，自電壓恢復(fù)時(shí)刻開始，有功功率至少以10%額定功率/s的變化率恢復(fù)至實(shí)際風(fēng)況對應(yīng)出力值。動態(tài)無功電流支撐的響應(yīng)時(shí)間不大于75 ms，持續(xù)時(shí)間不少于550 ms。