CN102709944A - 基于dgnr变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，电网电压跌落前，主控***运行在正常发电状态；电网电压跌落时，所述变流器检测到的LVRT启动信号，所述主控制***根据所述LVRT启动信号，触发主控***由正常发电状态进入低电压穿越状态，对和电网相关的故障采用滤波器的方式进行屏蔽，并触发所述变流器和所述变桨***进入低电压穿越状态；所述变桨***先利用变桨电池能量顺桨一次，直至所述变桨***实际测量的桨距角大于所述变桨***给定桨距角时，控制所述变桨***的桨叶刹车和变桨电机电磁刹车执行刹车，将桨距角暂时抱牢，等待电网电压恢复。本发明成本低廉、适用性良好、实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种风力发电机组低电压穿越控制方法。
背景技术
双馈型风力发电机组是目前兆瓦级变速恒频风力发电机组的主流机型，随着风电电网穿透率的提高，即将在2012年6月实施国家标准GB/T 19963-2011《风电场接入电力***技术规定》明确规定通过110（66）kV及以上电压等级输电线路与电网连接的新建或扩建风电场风力发电机组必须具有低电压穿越能力（LVRT）。低电压穿越是指当电网故障或扰动引起风电场并网点的电压跌落时，在一定电压跌落的范围内，风力发电机组能够不脱网连续运行。
变桨***是风力发电机组的重要组成部件之一主要有两个功能：（1）限制功率输出：额定风速以上变桨***通过调节叶片桨距角减少风能捕获，变流器调节发电机转矩，保证风力发电机组恒功率输出。（2）制动刹车：当风力发电机组故障停机时，变桨***控制叶片桨距角转至顺桨位置，减少风载吸收来制动风力发电机组。发生电网电压跌落前，主控***运行在正常发电状态，在额定风速以下时，变流器根据主控***转矩指令控制发电机转距跟踪风速变化，跟踪最优Cp，获得最大功率输出；在额定风速以上时主控***控制变桨***调节叶片桨距角，减少风能捕获，保证风力发电机组恒功率输出。变桨***根据风的变化，在工作位置和顺桨位置之间实现连续自动调节，控制桨叶快速稳定地旋转至主控***给定的桨距角。
早期风力发电机组变桨***驱动器的主要部件为晶闸管（SCR），如变桨***主流供应商SSB的DGNR 50Z，无法实现能量的双向流动。即传统的DGNR变桨驱动器在电网电压跌落至75%额定电压以下就无法正常工作，无法使用电池的能量进行桨叶角度的调节，只能利用电池能量进行顺桨。被认为是不具备LVRT能力的。后期由于电力电子技术的发展，变桨***主要采用H桥双极式IGBT作为功率驱动模块，如SSB的DCtransD60k。由于其在电压跌落期间能直接利用电池能量进行桨距角的持续调节，实现无缝链接具备LVRT能量。国家标准GB/T 19963-2011出台，早期安装的风力发电机组要实现LVRT功能，最直接的就是更换变桨***的驱动器。由于变桨***驱动器体加大、质量重，必须将轮毂掉下方可更换驱动器，面临昂贵的吊装费用和更换驱动器的费用。
发明内容
为了克服已有风力发电机组低电压穿越控制方法的成本高、适用性较差的不足，本发明提供一种成本低廉、适用性良好、实用性强的基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，所述基于DGNR变桨***包括一套调节桨距角的变桨***，一套连接发电机和电网的变流器，一套对接变桨***和变流器的主控***；
电网电压跌落前，所述主控***运行在正常发电状态，所述变桨***根据风的变化在工作位置和顺桨位置之间连续自动调节；电网电压跌落时，所述变流器检测到的LVRT启动信号，所述主控制***根据所述LVRT启动信号，触发主控***由正常发电状态进入低电压穿越状态，对和电网相关的故障采用滤波器的方式进行屏蔽，并触发所述变流器和所述变桨***进入低电压穿越状态；
所述变桨***先利用变桨电池能量顺桨一次，直至所述变桨***实际测量的桨距角大于所述变桨***给定桨距角时，控制所述变桨***的桨叶刹车和变桨电机电磁刹车执行刹车，将桨距角暂时抱牢，等待电网电压恢复；
当电网电压恢复后，所述主控***恢复所述变桨***和所述变流器为正常发电状态，并恢复机组有功功率给定，最终恢复正常发电状态。
进一步，所述变桨***中，当顺桨一次完成后，若电网电压未恢复，且跌落深度加深，导致发电机转速再次上升，即所述主控***检测到所述变桨***实际角度大于桨距角闭环控制的给定角度时，控制桨叶刹车和变桨电机刹车松开，再次执行顺桨一次，直至实际角度再次小于给定桨距角，刹车再次抱上，等待电网电压的恢复。
再进一步，若低电压穿越过程中，若机组发生任何大于或等于正常停机的故障，则立即跳出低电压穿越状态机，执行停机。
更进一步，所述变桨***包括电网检测模块，所述电网检测模块监测到电网电压的跌落后，触发变桨***内部延时继电器开始计时，若电网电压在延时时间继电器设置的时间内未恢复，直接切换至电池供电回路，由电池进行顺桨，使风力发电机组转速降至安全范围内。
本发明的技术构思为：本发明利用电网电压跌落，引起发电机电磁转矩减小，导致发电机转速上升，通过主控***控制变桨***的桨叶刹车和变桨电机刹车间接实现桨距角的控制
电网电压跌落前，所述变桨***运行在正常发电状态。当电网电压跌落时，所述变桨***根据所述主控的状态指令，触发所述变桨***进入LVRT状态，所述变桨***根据电压跌落程度深、浅和持续时间的不同，执行顺桨2次或顺桨1次，或者故障切出动作。当电网电压恢复，所述变桨***根据所述主控***桨距角给定指令恢复正常运行状态。
本发明的有益效果主要表现在：1）本发明建立在DGNR变桨***的1.5MW双馈式风力发电机组上，其采用主控***、变流器、DGNR变桨***实现对双馈式风力发电机组LVRT进行变桨控制，因此实现了应用广泛的性能，并具有较强的实用性。2）本发明在LVRT期间，由于采用主控***对变桨***进行桨距角控制，实现了对故障信号屏蔽、低电压穿越期间对转矩和桨距角实行闭环控制，并实时监测信号状态，因此保证了风机运行不超速，实现了风力发电机组不脱网连续运行。3）本发明由于采用了主控***状态机切换、状态信号检测、故障信号屏蔽、桨距角控制技术，由信号状态检测实现对LVRT状态启动和结束，通过主控***状态机完成正常发电和LVRT状态切换，并在LVRT状态中实现故障信号的屏蔽和转矩环、桨距角闭环控制，从而保证了风力发电机组在LVRT过程中运行不超速，保证了机组在不脱网持续运行。本发明可以广泛应用于风电行业中。
附图说明
图1为双馈异步风力发电机组的结构示意图。
图2为主控***LVRT流程图。
图3为变流器LVRT流程图。
图4为变桨***LVRT流程图。
图5为电网电压跌落较深变桨***顺桨2次，桨距角和EFC和松刹信号控制逻辑关系图。
图6为电网电压跌落较浅变桨***顺桨1次，桨距角和EFC和松刹信号控制逻辑关系图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图6，一种基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，所述基于DGNR变桨***包括一套调节桨距角的变桨***，一套连接发电机和电网的变流器，一套对接变桨***和变流器的主控***；
电网电压跌落前，所述主控***运行在正常发电状态，所述变桨***根据风的变化在工作位置和顺桨位置之间连续自动调节；电网电压跌落时，所述变流器检测到的LVRT启动信号，所述主控制***根据所述LVRT启动信号，触发主控***由正常发电状态进入低电压穿越状态，对和电网相关的故障采用滤波器的方式进行屏蔽，并触发所述变流器和所述变桨***进入低电压穿越状态；
所述变桨***先利用变桨电池能量顺桨一次，直至所述变桨***实际测量的桨距角大于所述变桨***给定桨距角时，控制所述变桨***的桨叶刹车和变桨电机电磁刹车执行刹车，将桨距角暂时抱牢，等待电网电压恢复；
当电网电压恢复后，所述主控***恢复所述变桨***和所述变流器为正常发电状态，并恢复机组有功功率给定，最终恢复正常发电状态。
进一步，所述变桨***中，当顺桨一次完成后，若电网电压未恢复，且跌落深度加深，导致发电机转速再次上升，即所述主控***检测到所述变桨***实际角度大于桨距角闭环控制的给定角度时，控制桨叶刹车和变桨电机刹车松开，再次执行顺桨一次，直至实际角度再次小于给定桨距角，刹车再次抱上，等待电网电压的恢复。
再进一步，若低电压穿越过程中，若机组发生任何大于或等于正常停机的故障，则立即跳出低电压穿越状态机，执行停机。
更进一步，所述变桨***包括电网检测模块，所述电网检测模块监测到电网电压的跌落后，触发变桨***内部延时继电器开始计时，若电网电压在延时时间继电器设置的时间内未恢复，直接切换至电池供电回路，由电池进行顺桨，使风力发电机组转速降至安全范围内。
变流器侧将无源Crowbar改为有源Crowbar，增大UPS容量，低电压跌落期间变流器侧控制回路由UPS供电。
变桨***增加3个延时继电器，并串入EFC（紧急顺桨信号）信号中，当变桨***驱动器在电压跌落期间在延时继电器设定时间内未恢复正常工作，则延时继电器根据变桨驱动器的反馈信号（BTB信号），直接由电池驱动顺桨；变桨***内部将电机过温模块220V供电、电池充电器等控制回路改为UPS供电。
主控***部分控制电路原不是UPS供电的，现改为由UPS供电；更改UPS反馈信号逻辑：在LVRT期间，不管由于什么原因引起UPS关机，在UPS关机前10min发送“UPS保护关机”信号给主控***，使主控***有足够的时间来执行停机过程和相关数据的存储。
当主控***接收到变流器的GridLowVoltageMonitor电网电压跌落异常信号并作判断，若GridTransientError!=PcsLowVoltageRideThroughOutOfRange持续1s，则认为电网电压异常，触发GridLowVoltageMonitor；
上述各实施例中，屏蔽驱动器的BTB信号异常引起的变桨驱动器、变桨电池、变桨电机冷却风扇故障；屏蔽转矩不匹配（TorqueMisMatch）故障，屏蔽电网相移（GridVectorSurge）、电网频率过高（GridFrequencyHigh）、电网频率过低（GridFrequencyLow）故障，并且禁止偏航，故障屏蔽采用延时报警方式。
在LVRT前变桨***运行在变桨***使能状态，此时EFC=1，breakrelease=1，变桨***刹车处于松刹桨距角自动调节状态，当检测到变流器的GridLowVoltageMonitor电网电压跌落异常信号后，变桨***进入LVRT状态。先进行顺桨一次动作，当检测到实际桨距角大于给定桨距角时，将EFC=1，release break=0，执行抱牢桨距角，直至实际桨距角等于给定桨距角；若电网电压未及时恢复，发电机转速再次上升，当检测到的实际桨距角小于给定桨距角时将EFC=0，release break=0，再次执行电池顺桨动作，如此反复，直至电网电压恢复，如附图5所示。若电网电压跌落较浅，桨距角顺桨一次后实际桨距角就一直大于给定桨距角直至电网电压恢复，这样LVRT期间只需顺桨动作一次，如附图6所示。
LVRT在电网电压跌落时刻ton开始，电网电压恢复至90%Un时结束tend，当电网电压恢复至75%Un时，变桨驱动器恢复正常工作，开始跟随给定桨距角进行调节。顺桨时由于变桨***回路中的两个继电器动作延时加上刹车松刹动作延时共有270ms的启动延时Ton，同样的在变桨***抱闸刹车也有160ms时间的停止延时Toff，加上变桨的顺桨和抱牢时间，在整个LVRT过程的3s钟内，顺桨次数不超过2次。
在LVRT期间，不管变桨***处于上述抱牢、顺桨、等待状态中的任一状态；只要检测到电网电压恢复至0.75Un，变桨***驱动器BTB反馈信号恢复，主控***将EFC=1，release break=1，并跳出LVRT状态，给定位置指令开始恢复变桨；
电网故障触发LVRT后，主控***由发电状态“Power production”进入低电压穿越状态“LowVoltageRideThroughState”，先进行顺桨一次动作，当实际桨距角大于给定桨距角时，将releasebrake信号置0执行桨叶刹车，直至变桨***恢复正常（变桨***状态机12）；当电网故障恢复，主控***根据从变流器侧接收到的LVRT结束信号进入“LowVoltageRideThroughIncrease”，同时给变桨***和变流器发出结束命令信号，当检测三个轴的BTB信号都正常时，主控***跳出LVRT状态机，跳回“powerprduction”状态，整个***恢复正常发电状态，启动“变桨停机命令”使电机松刹，并发送桨距角指令，恢复正常发电。
当电网电压跌出变流器设定的电压曲线外，会导致欠压报警，即UnderLineVoltOutOfRange触发电网故障停机；当电网电压跌到主控制器设定的电压最低曲线之下，会触发GridPhaseDrop电网故障停机；而跌落的时间长于设定曲线，会触发A_GridVoltageLow电网故障停机，主控***状态机从低电压穿越状态跳至电网掉电停机状态。在LVRT期间，只要发生故障等级大于等于正常停机的故障生，则主控跳出LVRT状态机，执行相应的停机动作；
上述各实施例仅用于说明本发明各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，变桨***为后备电池供电的DGNR变桨***，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
Claims (4)
1.一种基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述基于DGNR变桨***包括一套调节桨距角的变桨***，一套连接发电机和电网的变流器，一套对接变桨***和变流器的主控***；
电网电压跌落前，所述主控***运行在正常发电状态，所述变桨***根据风的变化在工作位置和顺桨位置之间连续自动调节；电网电压跌落时，所述变流器检测到的LVRT启动信号，所述主控制***根据所述LVRT启动信号，触发主控***由正常发电状态进入低电压穿越状态，对和电网相关的故障采用滤波器的方式进行屏蔽，并触发所述变流器和所述变桨***进入低电压穿越状态；
所述变桨***先利用变桨电池能量顺桨一次，直至所述变桨***实际测量的桨距角大于所述变桨***给定桨距角时，控制所述变桨***的桨叶刹车和变桨电机电磁刹车执行刹车，将桨距角暂时抱牢，等待电网电压恢复；
当电网电压恢复后，所述主控***恢复所述变桨***和所述变流器为正常发电状态，并恢复机组有功功率给定，最终恢复正常发电状态。
2.如权利要求1所述的基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述变桨***中，当顺桨一次完成后，若电网电压未恢复，且跌落深度加深，导致发电机转速再次上升，即所述主控***检测到所述变桨***实际角度大于桨距角闭环控制的给定角度时，控制桨叶刹车和变桨电机刹车松开，再次执行顺桨一次，直至实际角度再次小于给定桨距角，刹车再次抱上，等待电网电压的恢复。
3.如权利要求1或2所述的基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：若低电压穿越过程中，若机组发生任何大于或等于正常停机的故障，则立即跳出低电压穿越状态机，执行停机。
4.如权利要求1或2所述的基于DGNR变桨***的风力发电机组低电压穿越控制方法，其特征在于：所述变桨***包括电网检测模块，所述电网检测模块监测到电网电压的跌落后，触发变桨***内部延时继电器开始计时，若电网电压在延时时间继电器设置的时间内未恢复，直接切换至电池供电回路，由电池进行顺桨，使风力发电机组转速降至安全范围内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |