高电压穿越关键技术专项方案联合动力.doc

项目号Project No.KH201725本文献包括一切信息知识产权属于国电联合动力技术有限公司，其她任何单位不得随意使用。THIS DOCUMENT CONTAINS CONFIDENTIAL AND PROPRIETARY INFORMATION OWNED BY THE GUODIAN UNITEDPOWER TECHNOLOGY Co.，LTD.文献编号 Document No.2017JS002-11-043版次Revision No.D存档号Archive No.2017107国电联合动力技术有限公司GUODIAN UNITEDPOWER TECHNOLOGY COMPANY LTD.联合动力 1.5MW 双馈式风力发电机组高电压穿越改造技术方案 密级Classification总页数Number of Pages21重要事项及免责声明我司保存对该文献进行更改权力。只有当文献中有批准授权标记时该文献才正式生效。尽管所有工作进行较完善，本文献仍存在更改也许。按此文献进行生产活动或其她使用本文献活动所存在风险由顾客自行承担，国电联合动力技术有限公司不承担责任。如本文档存有信息不完整、表述不明确或信息错误等问题，顾客务必及时与编制者沟通澄清。凡以任何方式直接、间接使用本文献者，均视为自愿接受上述条款约束。Important Notice and DisclaimerThis document may still be undergoing checking by the institution responsible，unless approval has been given with appropriate notification appearing on the document.Although all work has been carried out very thoroughly，this document is still subject to changes. The risk of manufacturing in accordance to this document or any other use of the results stays exclusively with the customer and is not in the responsibility of GDUPC.Should any information in this document be not complete，incomprehensible or faulty，it is the responsibility of the user of this document to immediately clarify the facts with the author and the client.This document is only submitted under the assumption that the receiver accepts the above conditions. 版次变更记录Revision Summary版次Revision更改单编号NOC No.设计Design批准Approve日期Date重要更改内容Description of modificationA 王飒代海涛.7.28初版B王飒代海涛.10.12更改高穿原则至最新版本C王飒代海涛.3.12变桨改造方案更新D王飒代海涛.3.19日立变频器改造方案更新目录1、高电压穿越相关技术规定41.1 风电机组高电压穿越的概念41.2 基本要求42 高电压穿越功能实现过程及硬/软件升级52.1 变流器52.1.1日立变流器整改方案52.1.2 ABB变流器整改方案112.1.3 龙源科弗德变流器整改方案：132.2 主控系统182.3 变桨系统192.3.1 硬件部分整改（仅适用于能建/SSB/MOOG变桨系统）192.3.2 软件部分整改（适用于所有变桨系统）201、高电压穿越有关技术规定1.1 风电机组高电压穿越概念当电网故障或扰动引起风电场并网点电压升高时，在一定电压升高范畴内，风电机组可以保持不间断并网运营一段时间，英文简称名称HVRT（High Voltage Ride Through）。1.2 基本规定依照风力发电机组故障穿越能力测试规程（送审稿），对风电机组高电压穿越能力做出了如下详细技术规定：图1 为对风电场高电压穿越规定。风电场并网点电压在途中电压轮廓线及如下区域内时，场内风电机组必要保证不间断并网运营；并网点电压在图中电压轮廓线以上时，场内风电机组容许从电网切除。图1 国标（送审稿）高电压穿越规定规定风电场高电压穿越规定如表1：表1 风电场高电压穿越运营时间规定并网点工频电压值p.u.运营时间1.00UT1.10正常运营1.10UT1.20具备每次运营10s能力1.20UT1.25具备每次运营1s能力1.25UT1.30具备每次运营500ms能力1.30UT容许退出运营l 有功输出：在电压升高时刻及电压恢复正常时刻，有功功率波动幅值应在50%Pn范畴内，波动时间不不不大于80ms；在电压升高期间，输出有功功率波动幅值应在5%Pn范畴内。l 动态无功支撑能力：ITL1.5（UT-1.1）In，（1.1UT1.3）。2 高电压穿越功能实现过程及硬/软件升级全面评估机组电气元器件耐压级别后，机组高电压穿越功能实行需对如下元器件进行升级改造。2.1 变流器电网电压骤升( 对称和非对称骤升) 会导致风电机组定子磁链大幅振荡。当并网点电压发生对称或不对称骤升故障时，转子电压构成、幅值将发生巨大变化。这是由于电压骤升发生后DFIG 定子磁链不能突变，必然会在故障瞬间感生出一种抵制磁链突变直流或负序分量，进而引起转子侧过电流、过电压，最后会危害转子侧变流器。由于电力电子器件、变流器和直流母线电容对过电压和过电流承受能力有限，因而，当电压骤升引起电压或电流过高时，风机出于自我保护自动脱离电网。为保证过电压期间，变流器能按照表1中规定平稳正常运营，需要做整治升级如下：2.1.1日立变流器整治方案（1）硬件某些整治通过对变流器内部器件进行评估发现，变流器控制回路供电用接触器(88C）配套浪涌保护器耐压局限性，需要更换，当前浪涌保护器型号为LAD-4VU。当峰值电压超过1.2倍时启动保护。如果浪涌保护器动作会引起变流器故障停机。更换型号为，LAD-4RCU最高限制电压为2Uc,满足规定。 变流器内部电路板XSO07(110V供电电源板）由于耐压局限性，需要更换，此外变流器转子侧crowbar单元回路电压缓冲板（XZA180）耐压局限性，需更换。 初期风场电扇采用是EBM品牌，该款电扇具备过压保护功能，在过压1.3倍时也许会浮现停机保护，因而会涉及对电源回路进行降压解决来保证电扇电压不超过保护电压范畴。 除此之外，由于风场电网条件以及测试设备状况不同，在实际测试过程也许会涉及到其她部件变更。改造所需清单如下表：序号需更换器件名称 更换后器件名称数量1浪涌保护器LAD-4VU 浪涌保护器LAD-4RCU1个2供电电路板XSO07XSO07-H1块3电压缓冲电路板XZA180XZA180-H1块 详细更换位置如图2、图3所示：图2 XSO07更换位置图3 XZA180更换位置（2）软件某些整治及控制方略阐明修变化流器参数，修改项见表2所示。表2 参数修改列表CPU参数号参数名称变更值CPU3NO.127PSS_OVRT_V19421CPU3NO.128PSS_OVRT_V29830CPU3NO.129PSS_OVRT_T115300CPU3NO.130PSS_OVRT_T2400同步，升级变频器控制方略，刷新程序：高电压穿越变频器控制方略阐明：变流器通过硬件采样回路将一系列模仿信号传入控制器，从而获得电网电压等信息，并依照电网电压有效值判断与否发生电网电压高故障。程序内部依照电压状况将电网电压分为5个状态，图4为高电压状态机管理。图4 高电压状态机管理依照实时电压采样，采用高电压状态机，将电网电压分为如下5个状态：highVoltStateWord 0 电网电压正常highVoltStateWord 1 电网电压发生上升，还没有上升至稳定highVoltStateWord 2 电网电压上升到稳定highVoltStateWord 3 电网电压开始恢复，还没有稳定到稳定highVoltStateWord 4 电网电压恢复至稳定依照电压状态字highVoltStateWord值来区别电网电压不同状态，从而采用不同控制策。当高电压状态字为0时，即电网电压处在稳态，此时通过通讯接受主控下发并网、脱网、转矩万分比给定等指令，并执行主控下发命令。如果变流器处在并网发电状态，通过转矩给定与发电机当时转速，折算出需要发出功率，并通过功率环-电流环最后对转子侧电流进行控制，从而控制变流器发出总功率。序号原则数值单位01稳态时GRID_VOLT_HIGH_P110759V02恢复正常过程中GRID_VOLT_HIGH_P115793.5V如果判断电网电压发生上升，高电压状态字从0跳到1，即变流器进入高穿状态，此时变流器相应动作有：(a) 将变流器正处在高穿状态标志位置1，并通过通讯告知主控(b) 变流器计算功率值，控制网侧和机侧IGBT模块，控制变流器有功控制，并开始启动感性无功分抵控制。(c) 对电网电压正序分量，负序分量计算，并判断电网电压与否上升至稳定(d) 依照直流母线电压与否超过1200V，决定chopper回路与否动作。(e) 检测电网电压超过最高设定值、直流母线电压超过1300V，启动CROWBAR回路，及时脱网，保证系统安全序号原则数值单位01电网线电压有效值GRID_VOLT_HIGH_P135931.5V02直流母线电压DC_VOLT_HIGH_LIMIT1350V高穿时变流器与主控通过通讯将高穿信号传递给主控，如图5：图5 通过通讯将HVRT信号传递给主控等到电压正序负序分量都已经稳定期，高电压状态字从1状态跳转到2状态。进入电压2状态后动作有：(a) 维持网侧和机侧IGBT模块有功额定控制，保证变流器有功和无功控制输出，无功输出可以抵抗一某些过压(b) 依照直流母线电压，决定chopper回路与否动作。(c) 检测电网电压、直流母线电压，若电压过高，及时脱网，保证系统安全故障清除后恢复电网恢复判断原则：实时检测电网电压，依照有效值进行判断电网电压与否已经恢复序号原则数值单位01电压2状态前200msGRID_VOLT_HIGH_P105724.5V02电压2状态之后200ms GRID_VOLT_HIGH_ P110759V03电压3状态GRID_VOLT_HIGH_P105724.5V当判断电网电压开始恢复时，高电压状态字从2状态跳转到3状态，此时动作有：(a) 控制网侧和机侧IGBT模块有功输出，停止变流器无功控制(b) 判断电网电压真恢复正常(跳转到4状态)，还是再次上升(跳转到1状态)(c) 依照直流电压状况，决定chopper回路与否动作。(d) 检测电网电压、直流母线电压，若电压过高，及时脱网，保证系统安全在高电压状态字在3状态如果判断为真恢复正常，电压状态字从3状态跳转到4状态(注：电压4状态为过渡状态，普通持续200ms，和电压0状态控制方略一致)，此时动作有：(a) 保持有功输出控制(b) 依照直流母线电压，决定chopper回路与否动作在电压4状态持续200ms后，高电压状态字从4状态跳转至0状态，此时动作有：(a) 恢复有功控制，并以不低于10额定功率/秒功率变化率恢复至故障前值(b) 将变流器正处在高穿状态标志位置0，并通过通讯告知主控高穿已经恢复控制框图:图 6 日立控制框图2.1.2 ABB变流器整治方案（1）硬件某些整治网侧电压测量板（单台改造需要数量：1）NAMU测量上限为841V(1.22*690)，原则中网侧电压最高至1.3倍额定电压，因而要满足原则需更换测量范畴更大测量板。模块直流电压测量板 （单台改造需要数量：3）当前模块使用AINT-14，其直流最大测量为1249.3V。在1.3倍高电压状况下，直流在AINT-14测量范畴临界值，因而要满足原则需更换测量范畴更大测量板。电扇控制板 （单台改造需要数量：3）AFPS-11板更换为AFPS-61Chopper（斩波）组件 （单台改造需要数量：1）为避免较大有功/无功波动，依照风场实际状况，也许需要增长Chopper组件。（2）软件某些整治及控制方略阐明软件某些升级：1、ABB变流器ISU软件升级到AJXC2370；ABB变流器INU软件升级到IWXR74002、修改ISU/INU侧某些参数高电压穿越ABB变频器控制流程：电网电压高于32.15设定值8.23 bit5 置1变流器依照参数设立实现功率和转矩控制直流电压或转子电流超过限幅CROWBAR/Chopper激活直流电压或CROWBAR桥电压低于限幅CROWBAR/Chopper恢复图7 ABB控制流程ISU/INU 无功支撑曲线：图8 INU 无功支撑曲线图9 ISU 无功支撑曲线2.1.3 龙源科弗德变流器整治方案：针对科孚德变流器现状，提出了如下改造方案，并通过Matlab仿真与硬件在环实验验证。既有构造评估：表3 评估成果项目结论框架断路器满足规定，不需改造主接触器满足规定，不需改造并网接触器满足规定，不需改造避雷器满足规定，不需改造主滤波电容满足规定，不需改造主熔断器满足规定，不需改造Chopper组件满足规定，不需改造功率单元满足规定，不需改造其她低压器件满足规定，不需改造控制电路板（2块）不满足规定，需要改造Crowbar组件直流卸荷回路不满足规定，需要改造Crowbar转子撬棒卸荷回路不满足规定，需要改造Crowbar驱动板不满足规定，需要改造码盘板不满足规定，需要改造通讯回路不满足规定，需要改造电流温度采集板不满足规定，需要改造交流电压测量板不满足规定，需要改造UPS依照型号做不同解决需改造部件分析：1、 原Crowbar组件为被动式保护，转子过流触发Crowbar后不可以恢复，不能适应高穿规定。通过仿真和硬件在环实验数据分析，在低高穿连锁故障发生后，仅靠机侧封锁脉冲不能将机侧电流限制在安全范畴内，此时需要投入积极式Crowbar来泄放多余能量，保护机侧桥路但是流。暂态过去后需要切除Crowbar，重启机侧来实现故障穿越。2、 增长Crowbar后需要增长Crowbar控制电路，Crowbar控制需要高速IO口，既有控制板不能满足需求，因此需要更换控制板，以及配套配备板，为适应新控制板，码盘板，Crowbar驱动板均需更换。3、 通过仿真分析，在高电压穿越过程中，网侧电流暂态峰值最大可至2400A，可控电流峰值最大可至1500A。机侧电流暂态峰值最大可至A，可控电流峰值最大可至1400A。电网电压高穿中峰值超过1269V。原设计中电压采集板和电流采集板不再满足设计规定，且原采集板使用隔离变压器，重量大，内部电气环境差，故障率偏高，因而更换此两块板。4、新控制系统功能升级与原通信系统不兼容，需要改造通讯回路，改造后将更加有助于变流器故障消缺和性能升级改造。1硬件改造方案如下：（1）更改原变流器内Crowbar回路及Crowbar驱动；（2）将原控制电路板替代为新控制电路板；（3）将原变流器通讯回路替代为新通讯回路。改造先后变流器线路板布局如图10所示。 图10 控制板布局（左：旧；右：新）通过电科院硬件在环仿真，变流器若想满足高低穿连锁穿越能力规定，还需加入Crowbar回路，如图11所示。图11 Crowbar回路Crowbar IGBT驱动所需电源如图12所示。图12 Crowbar驱动供电回路软件改造包括如下方面：（1）高穿保护参数调节（2）动态调节直流母线电压给定值（3）总电流限制条件下无功电流优先方略（4）随母线参照值动态调节直流卸荷投切阈值现场软件改造通过更新变流器程序和参数实现。图11 高穿期间变频器电压-电流-功率测试图2.2 主控系统 硬件改造：1、发电机、低压电气、不间断电源，在原有设计中考虑了高电压穿越功能，当前可满足风力发电机组故障穿越能力测试规程（送审稿）中规定，因而不需要更换。（详细评估文献见附件1） 软件改造：在控制系统中，对风机主控进行软件控制方略改进。重要针对电网有关保护限值和高电压穿越子程序修改。主控软件程序升级重要涉及三个方面：1、协同控制a. 在高电压穿越期间，主控接受变频器高穿状态信号，机组进入高穿状态。b. 主控向变频器发送有功/无功控制等辅助指令，使变频器在高穿期间为电网提供有功、无功支撑。c. 主控向保持变桨系统在高穿期间正常执行变桨动作，保持转速稳定。2、故障报警延时a. 延时报警高穿期间浮现短时过电压/过电流等电网有关故障，避免机组在高穿过程中停机。b. 延时报警高穿期间系统浮现其她有关故障，避免机组在高穿过程中停机。3、状态监测a. 保持对电网电压监测，在电压变化暂态过程中迅速调节机组状态。b. 保持对变桨、变频器系统状态监测，保证转矩控制及转速控制协调性。c. 保持对机组风速、转速等状态量监测，保证机组高穿期间稳定运营。2.3 变桨系统 2.3.1 硬件某些整治（仅合用于能建/SSB/MOOG变桨系统）当检测到外部有高电压时，切断充电器输入电压，保护充电器。当检测到外部电压回答正常后，充电器回答正常供电，切换时间为100ms左右。主控柜： 在充电器交流电源输入端增长1个固态接触器，便于控制充电器输入电源。 增长一种三相交流监控继电器，带有一组节点，当交流电源正常时，保持在导通状态，当检测到有高电压时，变化到断开状态。 固态接触器 三相电压监控器改造后变桨系统可工作于二种运营模式：n正常模式：来自滑环AC400V交流电正常，波动范畴在120%以内时，电压检测继电器无报警输出，固态接触器处在导通状态，驱动器由市电供电。高穿模式：来自滑环AC400V交流电异常，供电电压超过120%时，电压检测继电器检测到电压超限，并报警，此时固态接触器迅速断开，将电源在100ms以内切断，此时驱动器由电池供电。当电网电压回答到120%以内时，电压检测继电器报警输出点自动复位，固态接触器自动导通，系统回答到正常工作模式运营。2.3.2 软件某些整治（合用于所有变桨系统）更新后变桨高电压穿越软件具备如下功能：a. 状态监测：及时向主控发送变桨位置、速度等变桨状态。b. 供电切换；高穿期间切换变桨驱动器电源，保证其由稳定电源供电。c. 故障屏蔽：屏蔽高穿期间电压有关故障，保持变桨系统平稳运营。