兆瓦級風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越過程運(yùn)行特性分析

朱志權(quán)

(上海電氣風(fēng)電集團(tuán)股份有限公司，上海 200233)

0 引 言

低電壓穿越(LVRT)是對并網(wǎng)風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)出現(xiàn)電壓跌落時仍保持并網(wǎng)的一種特定的運(yùn)行功能要求。風(fēng)電機(jī)組的LVRT能力是風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的技術(shù)指標(biāo)之一，隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的迅猛增加，為保證風(fēng)電健康可持續(xù)發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需具有較強(qiáng)的LVRT能力，同時能方便地為電網(wǎng)提供無功功率支持。電網(wǎng)電壓跌落會對運(yùn)行機(jī)組動態(tài)特性造成瞬間的影響，包括發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速、機(jī)組輸出有功功率、風(fēng)輪轉(zhuǎn)速以及機(jī)組槳距角等。而除了運(yùn)行特性，風(fēng)電機(jī)組LVRT的實(shí)質(zhì)指的是電網(wǎng)電壓跌落時風(fēng)電系統(tǒng)能量的不平衡，根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬間跌落，機(jī)組輸出功率瞬間下降，機(jī)組風(fēng)輪葉片捕獲的能量將轉(zhuǎn)化為其他形式，如機(jī)組關(guān)鍵部件振動，即當(dāng)此種巨大的能量不平衡發(fā)生時，可能造成風(fēng)電機(jī)組傳動鏈的轉(zhuǎn)矩不平衡或扭振[1]，以及對塔筒的載荷沖擊。

部分文獻(xiàn)研究了風(fēng)電機(jī)組重要部件在正常工況下機(jī)械載荷特性仿真與測試驗(yàn)證情況，也有文獻(xiàn)研究了機(jī)組在LVRT過程中重要部件如主軸、塔架的仿真與測試載荷特性，但是這些文獻(xiàn)研究對象實(shí)際測試機(jī)組都為小兆瓦機(jī)組，即4 MW以下機(jī)組，并且未對實(shí)際LVRT故障工況進(jìn)行測試與仿真對比驗(yàn)證分析。

4 MW及以上機(jī)組為大兆瓦機(jī)組，為研究LVRT故障對大兆瓦雙饋機(jī)組行為及重要部件的載荷特性影響，本文運(yùn)用GH Bladed仿真軟件建立某4.X MW大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型并進(jìn)行仿真分析，利用該機(jī)組已有型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)對該機(jī)組實(shí)際運(yùn)行特性進(jìn)行分析，同時對LVRT故障實(shí)測工況進(jìn)行仿真和對比驗(yàn)證分析，深入研究LVRT故障對大兆瓦機(jī)組重要部件的影響。

1 LVRT機(jī)組行為分析

在兆瓦級雙饋風(fēng)電機(jī)組發(fā)生LVRT期間，電網(wǎng)電壓的跌落造成風(fēng)電機(jī)組輸出電磁功率與機(jī)組風(fēng)輪捕獲能量瞬間不平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速時，變槳系統(tǒng)動作，通過調(diào)節(jié)葉片槳距角降低風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換系數(shù)，使輸入和輸出功率平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速下降[2]。由于機(jī)組變槳速率有一定的限制，捕獲風(fēng)能降低的速度遠(yuǎn)不及因?yàn)殡娋W(wǎng)電壓跌落導(dǎo)致機(jī)組有功功率降低的速度。文獻(xiàn)[3]建立了雙饋型風(fēng)電機(jī)組雙饋電機(jī)數(shù)學(xué)模型以及傳動鏈系統(tǒng)動力學(xué)模型，分析了電壓跌落時風(fēng)電機(jī)組有功出力降低導(dǎo)致發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩減小，軸承部分產(chǎn)生較大應(yīng)力變化，從而對軸承和塔筒的機(jī)械載荷產(chǎn)生的沖擊。文獻(xiàn)[4]分析了塔架左右方向運(yùn)動響應(yīng)模型及特性，風(fēng)電機(jī)組塔架左右方向一階模態(tài)運(yùn)行特性是一個典型的欠阻尼二階系統(tǒng)，在電網(wǎng)電壓故障情況下，雙饋發(fā)電機(jī)組電磁轉(zhuǎn)矩的突變易激發(fā)塔架左右方向晃動。

1.1 LVRT故障

GB/T 36995—2018[5]規(guī)定了風(fēng)電機(jī)組在LVRT時應(yīng)具有圖1中曲線1的電壓-時間范圍內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行的能力。

圖1 風(fēng)電機(jī)組LVRT故障曲線

LVRT測試使用電壓跌落發(fā)生裝置在測試點(diǎn)產(chǎn)生電壓跌落，負(fù)載測試時按照表1設(shè)置電壓跌落幅值及持續(xù)時間進(jìn)行測試。

表1 電壓跌落測試電壓規(guī)格

1.2 Bladed建模仿真分析

Bladed是英國Garrad Hassan公司開發(fā)的針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組領(lǐng)域建模及載荷計算的軟件，該軟件被廣泛應(yīng)用于陸上及海上風(fēng)電機(jī)組的建模仿真，主要用于輸出各個部件的時序載荷、極限載荷與疲勞載荷，以及風(fēng)電機(jī)組各部件設(shè)計及選型。除了常規(guī)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行工況，Bladed還可以對機(jī)組一些非正常運(yùn)行情況進(jìn)行仿真，包括限功率或限轉(zhuǎn)速運(yùn)行工況、屏蔽或開啟某項(xiàng)特殊控制策略下的運(yùn)行工況、以及LVRT工況等。

在Bladed軟件中，利用 turbine faults 模塊中的generator faults，設(shè)定LVRT時的電網(wǎng)電壓分布以及電壓開始跌落的時間，仿真低電壓故障穿越工況。著重分析機(jī)組分別在小風(fēng)及大風(fēng)風(fēng)況下故障穿越過程中運(yùn)行參數(shù)的情況以及載荷響應(yīng)情況；仿真工況選擇電網(wǎng)電壓跌落程度最大的惡劣工況(電壓跌落80%)進(jìn)行仿真，以分析在最惡劣情形下機(jī)組運(yùn)行安全性。

1.3 小風(fēng)下電壓跌落80%工況仿真分析

使用穩(wěn)態(tài)風(fēng)況進(jìn)行仿真分析，平均風(fēng)速設(shè)定為5 m/s，按照表1在Bladed軟件的故障模塊設(shè)定電壓跌落幅值為額定電壓的80%，故障觸發(fā)時間為開始仿真后第60 s，故障持續(xù)時間為625 ms。

電壓跌落仿真過程運(yùn)行參數(shù)及載荷響應(yīng)如圖2所示。從圖2中可以看出，在發(fā)生LVRT故障時，由于電網(wǎng)電壓跌落，發(fā)電機(jī)扭矩急劇跌落，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率與捕獲能量不平衡，轉(zhuǎn)速快速上升，由正常轉(zhuǎn)速約113.75 r/s上升至最高115 r/s，由于未達(dá)到仿真機(jī)組發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速178 r/s，機(jī)組變槳系統(tǒng)未動作。同時由圖2(f)和圖2(g)可以看到，機(jī)組的機(jī)艙左右方向位移和塔架左右方向的載荷在電壓跌落時增大，幅值有振動趨勢。但是小風(fēng)下對于塔架左右載荷影響幅度較小，最大載荷增大19%左右。

圖2 小風(fēng)下電壓跌落80%仿真響應(yīng)結(jié)果

1.4 大風(fēng)下電壓跌落80%工況仿真分析

使用穩(wěn)態(tài)風(fēng)況進(jìn)行仿真分析，平均風(fēng)速設(shè)定為13 m/s，按照表1在Bladed軟件的故障模塊設(shè)定電壓跌落幅值為跌落80%，故障觸發(fā)時間為開始仿真后第60 s，故障持續(xù)時間為625 ms。同時對于未觸發(fā)LVRT故障的正常發(fā)電工況進(jìn)行仿真，將兩次仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

機(jī)組正常運(yùn)行工況和大風(fēng)下電壓跌落80%工況仿真過程運(yùn)行參數(shù)及載荷響應(yīng)如圖3所示。從圖3中可以看出，在大風(fēng)風(fēng)況下機(jī)組發(fā)生LVRT故障時，由于電網(wǎng)電壓跌落，發(fā)電機(jī)扭矩急劇跌落，發(fā)電機(jī)輸出電磁功率與捕獲能量不平衡，轉(zhuǎn)速快速上升，由正常轉(zhuǎn)速約177.95 r/s上升至最高198.67 r/s，超過了機(jī)組的發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速，因此機(jī)組的變槳系統(tǒng)開始收槳來降低捕獲的風(fēng)能，從而使輸入輸出功率平衡，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速回落，直至恢復(fù)正常。同時由圖3(e)和圖3(f)可以看出，機(jī)組的機(jī)艙左右方向位移和塔架左右方向的載荷在電壓跌落時增大，且變化幅值比小風(fēng)工況時的更大，在故障穿越時機(jī)艙左右方向最大位移增大87.6%，塔架左右方向最大載荷增加124%。

圖3 大風(fēng)下電壓跌落80%與正常工況下仿真響應(yīng)結(jié)果

2 LVRT測試機(jī)組行為分析

2.1 測試系統(tǒng)

風(fēng)電機(jī)組測試系統(tǒng)是基于多種通訊協(xié)議的分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可同步記錄風(fēng)電機(jī)組功率特性測試及載荷測試所需求的多種變量，例如風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、氣壓等氣象參數(shù)；有功功率、無功功率等電氣參數(shù)；風(fēng)輪轉(zhuǎn)速、槳距角、偏航誤差、風(fēng)輪方位角、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)等運(yùn)行參數(shù)；以及葉片載荷、風(fēng)輪載荷和塔架載荷等載荷量。圖4給出了一個基于集成存儲控制器(IMC)搭建的采集系統(tǒng)。

圖4 基于 IMC 設(shè)備搭建的采集系統(tǒng)

采集系統(tǒng)可以記錄在LVRT測試期間風(fēng)力發(fā)電機(jī)組基本運(yùn)行參數(shù)以及塔架等關(guān)鍵部位的基本載荷。對4.X MW大型雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.2 小風(fēng)下電壓跌落80%測試結(jié)果

使用小風(fēng)風(fēng)況下電壓跌落80%測試數(shù)據(jù)分析小風(fēng)風(fēng)況下發(fā)生故障穿越時刻測試機(jī)組響應(yīng)特性。測試工況輪轂中心高度平均風(fēng)速為5.93 m/s，電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，電壓跌落至額定電壓的20%(跌落幅值為額定電壓80%)，跌落持續(xù)時間為625 ms，機(jī)組故障穿越時刻運(yùn)行參數(shù)及載荷響應(yīng)如圖5所示。

從圖5中可以看出，在整個LVRT過程中機(jī)組未脫網(wǎng)，由于測試工況輪轂中心高度平均風(fēng)速為5.93 m/s，機(jī)組未達(dá)到額定功率，在電網(wǎng)電壓跌落時機(jī)組有功功率瞬間跌落，機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速未達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，槳距角未動作。主軸受到?jīng)_擊發(fā)生扭振，扭矩幅值變化劇烈，在電網(wǎng)恢復(fù)的過程中，呈振蕩恢復(fù)的趨勢，而在小風(fēng)工況下，對塔架左右測試載荷影響微小，僅出現(xiàn)了小幅度的振動。

圖5 小風(fēng)下電壓跌落80%測試機(jī)組行為特性

2.3 大風(fēng)下電壓跌落80%測試結(jié)果

使用大風(fēng)風(fēng)況下電壓跌落80%測試數(shù)據(jù)分析大風(fēng)風(fēng)況下發(fā)生故障穿越時刻測試機(jī)組響應(yīng)特性，測試工況平均風(fēng)速為12.28 m/s，電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障，電壓跌落至額定電壓的20%(跌落幅值為額定電壓80%)，跌落持續(xù)時間為625 ms，機(jī)組故障穿越時刻運(yùn)行參數(shù)及載荷響應(yīng)如圖6所示。

從圖6可以看出，由于測試工況輪轂中心高度平均風(fēng)速為12.28 m/s，達(dá)到額定風(fēng)速為大風(fēng)工況，故障時刻機(jī)組處于額定功率下運(yùn)行狀態(tài)，在電網(wǎng)電壓跌落時機(jī)組有功功率瞬間跌落，機(jī)組風(fēng)輪轉(zhuǎn)速上升，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，槳距角動作按照設(shè)定速率機(jī)組收槳，以減少風(fēng)輪捕獲能量。主軸受到?jīng)_擊發(fā)生扭振，扭矩幅值變化劇烈，在電網(wǎng)恢復(fù)的過程中，呈振蕩恢復(fù)的趨勢，同時，在大風(fēng)工況下機(jī)艙左右方向加速度明顯增大振蕩，塔架左右彎矩載荷明顯增加。在恢復(fù)過程中，由于有一定的扭振存在，可以看出風(fēng)輪轉(zhuǎn)速在恢復(fù)過程中有一定的振蕩過程。

圖6 大風(fēng)下電壓跌落80%測試機(jī)組行為特性

3 測試工況仿真對比

使用測試數(shù)據(jù)識別出機(jī)組如葉片揮舞擺振一階、塔架前后左右一階等頻率，以及實(shí)際生產(chǎn)部件質(zhì)量、質(zhì)心等來修正仿真模型，使仿真模型盡可能接近實(shí)際機(jī)組。使用修正后模型進(jìn)行仿真，對測試結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

在測試與仿真對比時，要盡可能保證風(fēng)資源環(huán)境的一致性，在實(shí)際風(fēng)速隨機(jī)變化的前提下，進(jìn)行LVRT測試工況的仿真時需要根據(jù)實(shí)際測試狀態(tài)，在Bladed軟件中設(shè)定合適的時間點(diǎn)觸發(fā)LVRT，以盡可能保證仿真與測試環(huán)境的相似性，復(fù)現(xiàn)實(shí)際測試工況。

對大風(fēng)下電壓跌落80%工況進(jìn)行仿真，將測試數(shù)據(jù)中的風(fēng)速、偏航誤差、空氣密度、計算出的湍流強(qiáng)度等作為仿真輸入?yún)?shù)，根據(jù)實(shí)際發(fā)生故障穿越時間點(diǎn)設(shè)定故障觸發(fā)時間，在Bladed故障模塊設(shè)定電壓跌落幅值為跌落80%、故障持續(xù)時間625 ms，對修正后的模型進(jìn)行瞬態(tài)運(yùn)行工況仿真。測試與仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，在大風(fēng)下發(fā)生三相電壓跌落時，測試、仿真、理論分析一致，都表現(xiàn)出了相同的行為特性，機(jī)組在故障穿越時的有功功率急劇下降，風(fēng)輪轉(zhuǎn)速升高，同時受能量不平衡影響，機(jī)艙左右加速度增大，出現(xiàn)振蕩趨勢，機(jī)組塔架左右載荷增大。結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，同時也更真實(shí)地反映了LVRT時刻機(jī)組運(yùn)行和載荷特性，故障穿越對機(jī)組載荷的影響不可忽略，需要關(guān)注分析。在仿真與測試對比結(jié)果中，該4.X MW機(jī)組塔架左右仿真載荷結(jié)果大于測試載荷，在設(shè)計時使用仿真載荷對塔架進(jìn)行校核計算，LVRT時引發(fā)的塔架大載荷在安全范圍之內(nèi)。

圖7 大風(fēng)下電壓跌落80%測試與仿真對比結(jié)果

4 結(jié) 語

LVRT過程會引起風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行特性變化，也會對機(jī)組結(jié)構(gòu)部件造成沖擊載荷。針對某4.X MW大型雙饋機(jī)組，本文使用GH Bladed建立模型并仿真LVRT過程工況，對已開展型式試驗(yàn)的該機(jī)組進(jìn)行LVRT測試期間數(shù)據(jù)分析，研究故障期間機(jī)組行為及機(jī)械載荷特性以及測試驗(yàn)證對比分析，確保機(jī)組設(shè)計的安全性。仿真和測試結(jié)果表明：

(1) 在LVRT過程中，電網(wǎng)電壓的跌落帶來的能量不平衡會導(dǎo)致機(jī)組傳動鏈扭振，同時造成塔架載荷沖擊，使塔架載荷瞬時增大，在故障恢復(fù)的過程中有一定的振蕩。

(2) 在大風(fēng)工況下，LVRT對于機(jī)組的影響遠(yuǎn)大于小風(fēng)工況，機(jī)艙左右振動的幅度顯著增加，仿真情況塔架載荷的最大載荷比正常工況載荷增加超過120%。

(3) 機(jī)組設(shè)計時必須考慮LVRT故障下載荷，通過測試與仿真結(jié)果對比，驗(yàn)證機(jī)組的設(shè)計載荷包絡(luò)測試載荷，機(jī)組設(shè)計處于安全范圍中。