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软并网控制规律及振动特征分析

时间:2023-07-01 理论教育 版权反馈
【摘要】:定桨恒速风电机组通过晶闸管并网的软切入过程,不同于普通电动机的软起动器控制,存在着发电机从低于同步转速到高于同步转速的过渡过程。软并网控制的主要任务有以下两项:1)判断软切入起动时刻;2)确定双向晶闸管的移相控制规律。在不平衡的三相电压作用下,将增强软切入过程和并网运行中传动轴系的振动,其振动的特征频率为两倍的电网频率。

软并网控制规律及振动特征分析

异步发电机可采用晶闸管移相控制来实现并网软切入。根据异步发电机的特性,在接近发电机同步转速切入时,发电机从电网吸收的无功功率、切入电流和传动轴系的冲击转矩均处于最理想的状态。

具有变桨控制的风电机组可以在并网动作执行前通过桨距角控制将发电机转速控制在同步转速附近的稳定区域,通常将转差率控制在|s|<0.01的范围内。定桨恒速风电机组在未并网的情况下,由于风轮的速度不可控制,在考虑到风轮惯性和加速度的情况下,要在发电机转速上升到离同步转速有一定距离时就执行软并网,以防止发电机过速,进入异步发电的不稳定区域,具体的切入点由风电机组的主控制器根据风轮加速度情况而确定。

定桨恒速风电机组通过晶闸管并网的软切入过程,不同于普通电动机的软起动器控制,存在着发电机从低于同步转速到高于同步转速的过渡过程。晶闸管的移相控制存在着大量的谐波,其谐波转矩对于发电机动态产生着复杂的影响,并且会造成一定程度的三相不平衡。切入过程中,风况也在随时发生着变化从而影响风轮和发电机转矩,所以很难建立触发延迟角和期望值之间的明确关系。

软并网控制的主要任务有以下两项:

1)判断软切入起动时刻;

2)确定双向晶闸管的移相控制规律。

软并网控制主要评价指标有以下四项:

1)并网电流不超过额定电流的2倍;

2)并网电流过渡平滑,不对传动轴系产生过大冲击;

3)并网时间短;

4)发电机转速不产生明显升高,并网完成后迅速进入稳定运行。

定桨恒速风发电机组在现场正式运行前都要做一次短暂的电动起动以估算实际的传动链惯量,在并网软切入过程中,即以此惯量值来参与控制。风电机组控制器根据对下一瞬态发电机的速度判断、当前的导通角和电流状况来决定下一周期的移相触发延迟角。风电机组的并网软切入以减小冲击电流和传动轴系冲击转矩为目的,从实际情况来看,并网冲击电流可以保持在两倍额定电流以下。

对移相角的控制可采用电流内环、速度外环的控制方法,具体的控制实现如图4-3所示。移相角α的给定值是一个时变量,当发电机转速接近同步转速时,应在控制电流的同时使晶闸管快速达到充分导通以减小旁路接触器闭合时的合闸电流。

电流给定值对应的特性角度表示在此移相角α下,并网电流能迅速达到电流给定值,而后在此基础上进行一定程度的限流控制,这样可以缩短软切入过程的时间,该角度在实际应用中可设定在120°左右。

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图4-3 移相角控制框图(www.xing528.com)

由图4-3可以看出,软并网起动时的转速越低,表明当时风速越大,那么在接近同步转速点时,为防止发电机过速,移相角充分打开的意愿也越强。

总之,移相控制在初期应以限制电流为主要目的,在后期则以促使晶闸管迅速导通为主要目的。

为更深入分析并网软切入的动态过程,可以借助Matlab/Simulink软件进行建模和动态仿真,模型结合了第三章中介绍过的风轮和两质块的柔性传动系统特性。下面是WD49/750kW定桨恒速风电机组在风速为15m/s并带有湍流影响下的并网软切入仿真结果,该机组的额定电流为700A,额定转矩为4900N·m。机组在t=14.15s时开始软切入,在t=14.96s时发电机达到同步转速,并起动旁路接触器。

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图4-4 移相角变化过程

图4-4和图4-5所示的是并网过程中的移相触发延迟角和并网电流,可见在满负载情况下,过渡电流小于两倍额定电流,在旁路接触器闭合时也未有大的电流波动。

由于电流谐波和风湍流的影响,发电机电磁转矩产生大量的脉动,不可避免的,这将对传动轴系的齿轮箱轴承寿命造成显著的影响。当发电机在同步转速合闸时,发电机由吸收有功功率转为输出有功功率,在大风情况下转矩的变化幅度可能达到两倍的额定转矩,如图4-6所示。

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图4-5 软切入过程中的并网电流

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图4-6 软切入过程中的发电机电磁转矩

以上仿真结果是在三相电压平衡的情况下获得的,而在现场运行中,三相电压的不平衡是很常见的。在不平衡的三相电压作用下,将增强软切入过程和并网运行中传动轴系的振动,其振动的特征频率为两倍的电网频率。

在对定桨恒速风电机组传动轴系的主要部件进行改型设计或电网传输参数有很大改变时,都应在数学模型的基础上,进行计算验证以判定是否需要调整控制算法,而后在现场的机组上进行现场测试。

现场运行的机组在软切入控制参数设定不正确的情况下,可能在旁路接触器合闸时造成严重的转矩尖峰或持续几百毫秒的大幅度转矩振荡,这对于传动轴系的机械设备而言是严峻的考验。在设计、制造、安装或运行不当的情况下,容易造成齿面与轴承滚子的损伤和表面剥落或联轴器的损坏。

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