双馈风力发电机的高电压穿越技术解析
陈 鹏
(晋能清洁能源风力发电有限责任公司)
摘 要:近年来,随着环境和能源问题日益严峻,人们越来越关注清洁型能源的研发。风电是一种清洁型能源,自然受到广泛的关注。目前,我国风电装机容量逐年增多。但风电场的运行会影响整个电网系统的稳定性。因此,风电场十分重视双馈风力发电机高电压穿越技术。本文简单阐述了双馈风力发电机及高压穿越技术,然后以红石峁风电场风电机组高电压穿越改造为例,进行了技术解析。关键词:双馈风力发电机;低电压穿越技术;解析
0 引言
风是一种没有公害且取之不尽、用之不竭的能源。利用风力发电对于缺水、缺燃料以及交通不便的沿海岛屿、草原牧区、山区和高原地带具有极大的价值。近年来,随着风力发电技术的逐渐成熟,风电场建设越来越受到重视。而我国风能资源较为丰富,可开发利用的风能储量相对较大。加快风电项目建设,对于促进我国区域环境整治、能源结构调整以及经济发展方式转变等都有着十分重要的意义。截至2022年底,我国风电装机容量约3.7亿千瓦,在全国全口径发电设备的装机总容量的占比为14.17%。而随着风电装机容量在电力系统中所占比例的增大,风电场的运行对于电力系统整体的稳定性产生越来越大的影响。因此,电力系统对于风电场入网的要求越来越高,越来越严格,甚至还会以火电机组的标准作为要求[1]。具体来说,主要包括高/低电压穿越技术、无功控制技术以及有功功率控制技术等。其中,高/低电压穿越技术是当前风电机组设计和制造中最关键,同时也是最难的技术。
1 双馈风力发电机及低压穿越技术概述
1.1 双馈风力发电机概述
双馈风力发电机也被称为双馈型感应发电机(Double-FedInductionGenerator),这种风力发电机不过分依赖蓄电池的容量,而是通过适当控制励磁系统的电流,确保输出的电能达到恒频的目的。具体来说,双馈风力发电机的结构类似于异步发电机,但不同的是该发电机在励磁上采用了交流励磁的方式,而且,双馈风力发电机的交流励磁频率是可调的。近年来,随着电力电子技术的发展,电力电子元器件的容量越来越大,因此,双馈风力发电机组励磁系统调节的能力也越来越强,单机容量也越来越高,在风电场中应用的范围越来越广[2]。但在实际运用中,双馈风力发电机由于电机定子与电网之间直接相连(见图1),如果电网电压出现任何波动,都会导致电机内部出现较为严重的电磁过渡过程,严重时甚至会造成机侧变流器的损坏。因此,双馈风力发电机低电压穿越技术的研究受到广泛关注。
图1 同步双馈风力发电机的变速恒频发电系统图
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1.2 高电压穿越技术
高电压穿越技术是指在风力发电机并网点电压升高时,确保风机能够保持并网,甚至向电网系统提供一定的无功功率,用以支持电网系统电压的恢复,直到电网恢复正常水准,从而帮助电网系统“穿越”这个高电压时间[3]。具体来说,当电网发生故障引起测试点电压升高时,风电机组测试点各线电压(相电压)在电压轮廓线及以下的区域内时,风电机组必须保证不脱网连续运行;否则,允许风电机组切出。对于在电压升高期间没有切出电网的风电机组,其有功功率在电压恢复后应快速恢复至实际风况对应的输出功率[4]。
目前,我国针对风电场高电压穿越能力的标准见表1,运行参数要求见图2。
表1 风电场高电压穿越能力的标准
序号1234
要求
风电机组具有在测试点电压升高至130%额定电压时能够保证不脱网连续运行500ms的能力
风电机组具有在测试点电压升高至125%额定电压时能够保证不脱网连续运行1s的能力
风电机组具有在测试点电压升高至120%额定电压时能够保证不脱网连续运行10s的能力
风电机组具有在测试点电压升高至110%额定电压时能够保证不脱网连续运行的能力
图2 风电机组高电压穿越运行参数要求
2 双馈风力发电机的高电压穿越技术解析
红石峁风电场位于朔州市平鲁区,该风电场于2018年2月14日投产并网,安装60台华仪HW3/S2500(121)风力发电机组,变频器配套北京科诺伟业科技股份有限公司KN-CVT2500-DF-2型双馈风力发电变流器,41台风机变桨系统配套北京科诺伟业科技股份有限公司KN-PCS-AC125-B6-2型交流变桨系统,后备电源采用阀控铅酸蓄电池组;19台风机变桨系统配套北京天诚同创电气有限公司HW3-S2500-121型交流变桨系统,后备电源采用超级电容。根据《山西风电场并网运行管理实施细则》(2021年修订版)第三章第十二条要求:“风电机组应具备电网规定要求的低电压/高电压穿越能力”,而红石峁风电场的风力发电机组尚不能满足要求。具体来说,平鲁红石峁风电场的风机随着运行年限的增加,变频器的内部元器件逐渐老化,故障问题逐年增多,已经制约风机的安全运行,并严重影响到发电量。目前,存在的主要问题有:
首先,科诺生产的KN-CVT2500-DF-2变频器在电网适应性方面较差。当电网发生谐振时,在谐振点附近的电流增大,会导致滤波电容过流发生烧毁的问题。而平鲁红石峁风电场投运至今,风机变频器滤波
2.1 技术方案
电容鼓包、漏液问题已经发生16台次,风机变频器滤波电容击穿故障发生9台次,功率单元击穿发生41台次。
其次,根据2019年—2022年风电机组运行数据统计,变频器故障占比高,变频器故障损失电量占比高。
最后,随着风机运行年限的增加,变频器内部元器件老化,变频器故障逐年增多,变频器备件消耗也逐年增加。但2019年科诺公司已逐步退出风电市场,且KN-CVT2500-DF-2变频器生产数量少,大部分备件为定制配件,采购困难。因此,必须予以改造。本次红石峁风电场双馈风力发电机机组高电压穿越改造涉及的子系统主要包括:主控系统、变流器系统、变桨系统。三个系统之间需要进行信息的交互,并接受主控系统的动作指令及其他命令,且必须与主机的其他设备程序相匹配。此外,在改造完成后,还需要进行整机安全性测试。
第一,对风机中不满足要求的硬件进行更换;第二,升级匹配各控制系统;第三,软件程序及参数改造;第四,20台科诺变桨系统风机超级电容改造。
2.2 实施主要内容
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具体来说,首先是对硬件进行改造,主要包括:配合科诺变桨系统高穿改造,在机舱控制柜侧板增加1个变桨系统供电接触器和1个继电器。其次,针对软件进行改造,主要包括:1)在主控软件中增加高电压穿越标志位和相应高电压穿越参数;2)在主控软件中修改变桨系统的通信和控制内容,增加与超级电容对应的故障逻辑;3)在SCADA软件中添加变桨系统的相关显示及状态和故障点表,兼容原界面;4)其他如集控、远动通信等需做出与整改相关的修改。再次,对变流器系统进行改造,主要改造的内容包括:对科诺变流器的控制策略和部分参数进行优化,对变流器的软件进行升级,满足高电压穿越能力。最后,对科诺变桨系统进行改造。改造的内容主要包括1)LC-WTP127R2T型号的变桨蓄电池更换为超级电容;2)YA500-360C型号的变桨充电机更换为与超级电容匹配的充电机;3)科诺变桨系统软件的高穿控制逻辑和参数进行更新。
穿越改造,首先实现了机组能够满足高穿的要求。HW3/S2500(121)风力发电机组通过高电压穿越改造后,机组具备高电压穿越能力,满足电网要求。其次,有效降低了风电场机组运维成本。通过将变桨系统后备电源替代为超级电容,由于超级电容超长寿命的优点,可实现10年内不需更换,其间可降低变桨蓄电池更换费用200万元(蓄电池更换费用2万元/台/次,10年更换5次变桨蓄电池,20台风机科诺变桨蓄电池更换费用合计200万元)。最后,显著提高了风力发电机组运行的安全性。变桨系统后备电源铅酸蓄电池替代为超级电容后,解决了铅酸蓄电池使用寿命短,故障率较高,稳定性和安全性差的劣势弊端,有效解决了科诺变桨系统后备电源隐患,提高了供电质量,更好地满足了用电的需求。
参考文献
[1] 刘引弟.双馈风机综合保护的低电压穿越仿真研究
[J].价值工程,2022,41(23):98-100.
[2] 杨琦,李岚,赵荣理,等.基于模糊控制虚拟电阻
的双馈风力发电机低电压穿越励磁控制[J].电力电容器与无功补偿,2020,41(2):164-169.
[3] 姜惠兰,王绍辉,贾燕琪,等.基于定子电流微分
前馈控制的双馈异步风力发电机低电压穿越复合控213-219.
制策略[J].高电压技术,2021,338(1):
2.3 具体技术解析
首先,增加直流斩波耗能装置。为了确保双馈风力发电机组的良好运行,防止在电网电压骤然上升时出现不良影响,可以在直流回路上增加直流斩波耗能装置[5]。在实际运行中,通过增加该装置,可以在该装置及其组件的支持下,充分发挥出组件中电力电子元件的作用,从而有效抑制直流电压,实现双馈风力发电机组的高电压穿越,使其能够满足风力发电机组的安全运行需要。
其次,增加静止同步补偿器或动态电压恢复器。在双馈风力发电机组运行的过程中,应根据电网的实际运行情况,适当增加静止同步补偿器,或者是设置动态电压恢复器[6]。在实际操作中,通过设置动态电压恢复器,在电网发生故障时,可以补偿电压差值,进而维持电压的稳定可靠。而设置静止同步补偿器,能有效控制注入电网的无功电流,确保电网电压的下降。
[4] 鲜龙,王晓兰,张晓英,等.基于新型转子撬棒的
双馈风电机组低电压穿越技术[J].自动化与仪器仪表,2020(3):31-34,38.
[5] 兰建西,信赢,魏子镪,等.基于磁屏蔽型超导限
流器的双馈感应风力发电机低电压穿越[J].电力系统及其自动化学报,2020,193(2):19-26.
[6] 董鹏程,华青松,张洪伟,等.双馈异步风力发电
机组电网故障穿越技术研究[J].青岛大学学报(工程技术版),2018(1):5-9,20.
(收稿日期:2023-04-26)
3 结束语
通过对红石峁风电场双馈风力发电机机组高电压
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