變速變槳風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速控制及超載保護設置

變速變槳風力發(fā)電機組轉(zhuǎn)速控制及超載保護設置

可變變速記錄器主要采用變帶距離法改變捕風能，調(diào)節(jié)裝置的功率和旋轉(zhuǎn)。機組的轉(zhuǎn)速控制、超速保護設置,直接關系到機組運行安全、部件壽命、故障概率和年利用小時數(shù)等。在進行轉(zhuǎn)速控制和超速保護設置時,既需保證設備安全,又要充分發(fā)揮機組性能。采用適當?shù)目刂品绞?合理地設置控制參數(shù),可以提高設備的經(jīng)濟性,大幅度地提升機組的穩(wěn)定性。本文就德國REpower變速變槳1.5MW雙饋機組(同步轉(zhuǎn)速為1500rpm,運行范圍是1000～2000rpm)的轉(zhuǎn)速控制、超速停機及超速參數(shù)設置值等進行分析和闡述。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速控制變速風電機組的轉(zhuǎn)速控制一般可分為兩種情況:在低于額定風速時,通過變頻器的調(diào)節(jié)控制發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩,實現(xiàn)機組的轉(zhuǎn)速控制;在高于額定風速時,一般采用調(diào)節(jié)槳距角的方法將多余的能量釋放出去,實現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速控制。一、自然狀態(tài)的風隨機可變與恒速機組相比,變速機組的主要優(yōu)點如下:(1)葉輪能在很寬的風速范圍內(nèi)跟蹤最佳葉尖速比,從而使風能利用系數(shù)最大,提高了系統(tǒng)效率。(2)自然狀態(tài)的風隨機可變,當出現(xiàn)極限陣風,風速突然增大時,可提高葉輪轉(zhuǎn)速,使一部分能量以動能形式存儲,保證機組的輸出功率基本不變;當風速降低,葉輪存儲的動能再以電能的形式輸出,使機組的功率輸出平穩(wěn),從而減小風速變化對電網(wǎng)的沖擊。同時,有效地避免了機組傳動結(jié)構(gòu)上的受力突變,減小風速變化對機組機械部件造成的沖擊,降低機械部件的疲勞損傷,延長部件和機組的使用壽命。二、轉(zhuǎn)速控制和轉(zhuǎn)速不合理當變速雙饋風電機組處于超同步運行狀態(tài)時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高于同步速,如果距超速保護定值的裕度過小,那么,出現(xiàn)極限陣風或受電網(wǎng)故障擾動后可能觸發(fā)超速保護停機,對機組部件和發(fā)電造成不利的影響。當機組因其他故障停機時,不必要地觸發(fā)超速停機,影響機組的故障判斷等。因此,超速保護參數(shù)的設定值不能過低。另一方面,機組運行轉(zhuǎn)速過高,則可能危及發(fā)電機、變頻器等機組部件的安全。因此,合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)對機組的正常運行至關重要。在設置雙饋風電機組的超速參數(shù)時,主要需考慮以下幾個方面:(一)發(fā)電機運行工況GB/T23479《風力發(fā)電機組雙饋異步發(fā)電機》中對發(fā)電機有這樣的規(guī)定:“發(fā)電機處于熱態(tài),應承受1.2倍的最大工作轉(zhuǎn)速,歷時2min。超速試驗后發(fā)電機各部件應無永久性變形和不產(chǎn)生妨礙發(fā)電機正常運行的其他缺陷?！币虼?在設置超速參數(shù)時,應考慮雙饋機組發(fā)電機的承受能力。(二)發(fā)電機轉(zhuǎn)子交流電壓的確定雙饋風電機組變頻器的容量很小,約為發(fā)電機的轉(zhuǎn)差容量(即發(fā)電機定子輸出容量與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積)。在雙饋發(fā)電機定子輸出容量一定的情況下,變頻器的勵磁容量與轉(zhuǎn)差率的絕對值成正比。也就是說,雙饋機組的轉(zhuǎn)速運行范圍越寬,轉(zhuǎn)子變頻器的勵磁容量也就越大。因此,在系統(tǒng)設計時,應注意發(fā)電機的轉(zhuǎn)速運行范圍與變頻器容量之間的優(yōu)化和權衡問題,以達到較好的經(jīng)濟性能指標。變頻器的輸出電壓為發(fā)電機轉(zhuǎn)子開路電壓與轉(zhuǎn)差率絕對值的乘積,因此,轉(zhuǎn)子開路電壓等級的確定,既要考慮變頻器的電壓等級,也要考慮發(fā)電機的轉(zhuǎn)差率。轉(zhuǎn)子電壓和轉(zhuǎn)子電流在不同的運行狀態(tài)下大小不同,在轉(zhuǎn)差率的絕對值最大時,轉(zhuǎn)子電壓最大。(三)機組允許的并網(wǎng)轉(zhuǎn)速在設定機組額定轉(zhuǎn)速與超速參數(shù)值時,應充分考慮機組正常運行的速度上升空間,以利于葉輪跟蹤最佳葉尖速比和短時陣風時的葉輪儲能,提高機組效率。在機組允許的并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),不應設置沒有延時的瞬間停機超速保護。在機組運行范圍內(nèi)設置沒有延時的超速停機保護會造成:機組的并網(wǎng)運行范圍縮小;當機組負荷較高,且風速急劇變化時,機組報超速停機頻繁。如采取修改變槳控制算法參數(shù)的方法,來解決沒有延時超速停機保護參數(shù)設置錯誤所帶來的超速停機問題,則必將影響葉輪的儲能和發(fā)電量。這不僅不能使超速停機問題得到徹底解決,還可能影響部件壽命,增加機組的故障概率等。(四)因素2:超高壓保護而停機脫網(wǎng)機組在高負荷執(zhí)行低電壓或高電壓穿越的過程中,需要一個較大的速度上升空間,不能因超速保護而停機脫網(wǎng);當機組執(zhí)行甩負荷故障停機時,應有足夠的葉輪飛升的速度空間,在機組順槳正常的情況下,不應觸發(fā)斷安全鏈的剎車200超速保護,以保護機械部件(如齒輪箱、葉片、塔筒等)免受損傷和沖擊。機組內(nèi)部狀態(tài)碼為限制超速、保障機組安全,REpower1.5MW機型采取了較為合理的控制策略,并設置多個限制機組超速的狀態(tài)碼:213、1905、1411、310、311、312、317、328、319、320。除狀態(tài)碼213為只報警不停機外,其余9個均為停機保護。下面就該機型超速控制策略、超速控制狀態(tài)碼和超速參數(shù)設置值進行分析。一、機組轉(zhuǎn)速控制該系列機型使用的主控是WP3100,控制正常運行并網(wǎng)轉(zhuǎn)速的參數(shù)主要有三個,即:降噪運行、狀態(tài)碼213和機組額定轉(zhuǎn)速。另外,在功率控制上,該主控的控制策略采用查表法,即:當并網(wǎng)轉(zhuǎn)速上升時,主控的給定扭矩也隨之上升,這既符合雙饋機組的工作特性,又從控制上通過持續(xù)加大給定扭矩的方法來限制轉(zhuǎn)速。同時,增加機組出力,避免運行轉(zhuǎn)速超過其正常的允許范圍。實踐證明,當機組無故障時,按照REpower超速參數(shù)設置方式,在眾多風況條件下,機組在設計的整個運行風速段內(nèi)均不會報軟件超速,更不會報硬件超速停機。按照REpower的參數(shù)設置,“極限陣風”狀態(tài)碼213的控制和參數(shù)設置為:當機組高速軸轉(zhuǎn)速達到1960rpm,且時間超過0.2s時,控制機組的“額定轉(zhuǎn)速”(G)ratedxxxxrpm(如:1770rpm),改為由設定的“安全轉(zhuǎn)速”(G)safexxxxrpm(如:1720rpm)控制。葉輪以5/s順槳,葉片從0°向90°方向移動,機組轉(zhuǎn)速下降,“安全轉(zhuǎn)速”的控制時間為“安全時間設定值”(G)safetimexxxs(主控WP3100默認值:600s,此參數(shù)應根據(jù)機位的風況條件進行調(diào)整,應以機組既能避開極端風況,又不因多次“極限陣風”報“重復故障”停機為準)。在此之后,機組的轉(zhuǎn)速控制,再次從“安全轉(zhuǎn)速”控制恢復到由機組正常的“額定轉(zhuǎn)速”(G)ratedxxxxrpm(如:1770rpm)控制,并以主控設定“安全提升速率”(G)saferampxxrpm/s(WP3100默認值:10rpm/s)升速。另一方面,當出現(xiàn)短時陣風時,葉輪轉(zhuǎn)速迅速升高,實現(xiàn)能量的存儲。葉輪轉(zhuǎn)速達到了1960rpm,但沒有超過0.2s,則不執(zhí)行該狀態(tài)碼,這樣,機組的實際最高運行轉(zhuǎn)速更接近2000rpm,有利于盡量多地吸收風能,同時,避免短時陣風對機械部件造成的沖擊。當風速下降時,葉輪轉(zhuǎn)速降低,短時儲存的動能轉(zhuǎn)化成電能,從而保證機組的功率穩(wěn)定。在通常風況條件下,通過設定的“額定轉(zhuǎn)速”控制機組轉(zhuǎn)速。當風況較差、風速不穩(wěn)時,可以通過激活“極限陣風”狀態(tài)碼213把機組轉(zhuǎn)速控制在正常運行范圍內(nèi),以降低額定轉(zhuǎn)速的形式限制轉(zhuǎn)速,此狀態(tài)碼只報警不停機。在風況相對穩(wěn)定、機組轉(zhuǎn)速得到有效控制后自動恢復到正常的額定轉(zhuǎn)速設定值進行控制。這樣,既保證了機組最大限度地吸收風能,提高發(fā)電量,又能較好地把機組轉(zhuǎn)速控制在正常運行范圍之內(nèi)。因此,通過主控設定的“額定轉(zhuǎn)速”和“極限陣風(213)”把機組的運行轉(zhuǎn)速控制在設備正常范圍內(nèi),而不是通過停機來控制機組運行的最高轉(zhuǎn)速這種方式,既有利于限制轉(zhuǎn)速,又能最大限度地發(fā)揮變速雙饋機組的性能。二、變槳輸出轉(zhuǎn)速+控制器為保證機組安全,避免機組轉(zhuǎn)速過高,在機組最大運行轉(zhuǎn)速2000rpm附近,設置了“變槳自主運行(1905)”和“變頻器超速(1411)”兩道限制轉(zhuǎn)速的停機保護指令。狀態(tài)碼1905,為剎車52,當機組齒輪箱高速軸轉(zhuǎn)速達到1950rpm,機艙控制柜內(nèi)的硬件WP2135動作,通過接線和滑環(huán),把信號傳到輪轂內(nèi)的變槳控制器,由變槳控制器程序設定延時0.3s,如果在0.3s后硬件WP2135仍處于斷開狀態(tài),此時變槳控制器就不再接受主控指令,只按變槳控制器程序執(zhí)行5/s的變槳驅(qū)動器順槳,同時,再通過變槳通信傳給主控(由主控的RPMOK信號狀態(tài)得到顯示),主控報“變槳自主運行(1905)”故障,執(zhí)行降負荷停機;如果硬件WP2135斷開的時間不足0.3s,則不執(zhí)行該狀態(tài)碼,機組不會停機。因變槳控制器設定的延時時間為0.3s,而達到硬件觸發(fā)值后,超速模塊WP2135動作還需要時間,因此,實際延時觸發(fā)“變槳自主運行(1905)”的時間大于0.3s。在某些特殊情況下,通過變槳控制器執(zhí)行“變槳自主運行(1905)”,即可保障機組及部件安全。因“變槳自主運行(1905)”的執(zhí)行條件僅略高于“極限陣風(213)”,兩者的觸發(fā)條件相當接近。在機組運行過程中,可能同時滿足這兩個觸發(fā)條件,這就可能在執(zhí)行“極限陣風”的同時,執(zhí)行“變槳自主運行”。機組會因執(zhí)行“變槳自主運行”而停機。為保證機組長期穩(wěn)定運行,當兩個觸發(fā)條件同時滿足時,則優(yōu)先執(zhí)行“極限陣風(213)”,而不執(zhí)行“變槳自主運行(1905)”程序。因此,機組就不會因執(zhí)行“變槳自主運行”而停機,同時也避免了機組誤報故障。按照REpower機組配置的ALSTOM變頻器參數(shù)設置,當轉(zhuǎn)速達到2000rpm,超過延時設定值0.1s(有的變頻器則設置為2050rpm,沒有延時),達到“變頻器超速(1411)”的觸發(fā)條件,則并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速超過變頻器的能力,變頻器會自動甩負荷脫網(wǎng),再由變頻器發(fā)出信號傳到主控輸入端口,執(zhí)行剎車程序75,采用變槳驅(qū)動器順槳,順槳速率為8/s。其速度信號來自于發(fā)電機編碼器。以上兩個超速停機保護狀態(tài)碼,通過兩個完全不同的路徑觸發(fā)順槳停機,以確保機組并網(wǎng)運行轉(zhuǎn)速不會超出運行范圍,或不超出運行范圍太遠,保護變頻器、發(fā)電機等部件及機組安全。三、3轉(zhuǎn)速控制和超停機保護該轉(zhuǎn)速控制方案還設置了3個沒有延時的“軟件超速”保護,即:齒輪箱軟件超速(310)、低速軸軟件超速(311)和發(fā)電機軟件超速(312)。當轉(zhuǎn)速上升到3個“軟件超速”設定值,則會報出310、311、312超速故障。按照REpower超速參數(shù)設置(統(tǒng)一換算成高速軸轉(zhuǎn)速),設定的超速參數(shù)值均為2178rpm(剎車程序75),轉(zhuǎn)速信號分別來自3個不同的測速探頭。由主控軟件判斷執(zhí)行,沒有延時,執(zhí)行受控的變槳驅(qū)動器順槳停機,順槳速率為8/s。在執(zhí)行轉(zhuǎn)速控制和超速停機保護時,有著嚴格的先后邏輯順序。首先,執(zhí)行“極限陣風(213)”;其次,執(zhí)行“變槳自主運行(1905)”和“變頻器超速(1411)”;最后,執(zhí)行“軟件超速”,報310、311、312故障。與機組超速有關的主控、變槳控制程序,或參數(shù)設置值如有不同,機組的運行狀況可能會大不一樣。例如:在編制“變槳自主運行”控制程序時,沒有設置0.3s延遲,或沒有設置“極限陣風(213)”程序優(yōu)先于“變槳自主運行”執(zhí)行的條件,這樣,在大風時節(jié)、風速極度變化時,機組會頻繁報“變槳自主運行(1905)”停機,造成機組頻繁報故障停機。再如:設置的3個“軟件超速”觸發(fā)值過低,距離最高運行轉(zhuǎn)速較近,甚至設在機組的運行范圍之內(nèi),則會造成大風期間頻繁報“軟件超速”停機和報故障不準確等。四、“軟件民用超標超”分析在機組順槳正常的情況下,通常不觸發(fā)“剎車200超速”。機組報“剎車200超速”停機時,將啟用備用電源緊急順槳,同時,主軸剎車器參與制動。報“剎車200超速”停機是轉(zhuǎn)速失控,或機組飛車的重要標志。兩個“剎車200軟件超速”停機分別是:“低速軸剎車200軟件超速(317)”和“齒輪箱剎車200軟件超速(328)”,它們的測速信號分別源自兩個不同的測速探頭,觸發(fā)值由主控軟件設定,并通過主控軟件執(zhí)行剎車200停機以及斷安全鏈。兩個“剎車200硬件超速”停機分別是:“發(fā)電機WP2035硬件超速(319)”和“低速軸WP2035硬件超速(320)”。它們信號來源為硬件超速模塊,執(zhí)行時報剎車200,并斷安全鏈。這兩個硬件超速保護命令,僅與超速模塊及其硬件設置有關,而與主控的軟硬件和參數(shù)設置無關。以上4個“剎車200超速”,其設置值均為2400rpm,順槳速率理論上為15/s,其實際速度與電池電壓、電流、變槳電機、變槳齒輪箱速比、機組運行狀態(tài)等有關,觸發(fā)后,需到現(xiàn)場進行安全鏈復位。由以上分析可知:在絕大多情況下,機組轉(zhuǎn)速的控制,僅通過控制機組的“額定轉(zhuǎn)速”使機組運行在允許的速度范圍;在機組故障,或某些特殊外界條件下,可能觸發(fā)“軟件超速”。主軸剎車器頻繁制動可能造成齒輪箱齒面的點蝕等。因此,在一般情況下,主軸剎車器不參與機組制動,不觸發(fā)“剎車200超速”停機。高效參數(shù)設置值的應用前景合理的轉(zhuǎn)速控制和超速參數(shù)設置,既對保護設備有利,又能充