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风机并网控制技术改造方案比较研究

摘要：为保证风力发电机组的安全运行，同时减少并网断路器的动作次数，提高并网断路器的使用寿命，提高风力发电机组运行的安全系数，结合该风场实际情况，设计出增加并网接触器的改造方案。本方案在不降低控制要求的基础上，以提高并网开关使用寿命及系统可靠性为目标，选用目前成熟的定子接触器加保护断路器的整体解决方案，其中定子接触器采用独有先进的控制方式，在基本不改变原变频器核心控制的条件下实现接触器和断路器的配合保护。系统优点不改变变频器控制逻辑及保护要求；提高并网开关的工作寿命和可靠性；设计系统能够弥补接触器大电流分断容易损坏的缺点；改造范围最小；改造成本最优。
关键词：风电供暖；频繁启停；储能单元；预测控制
ComparativeStudyonTechnicalTransformationSchemesofWindTurbineGrid-connectedControl
WangPeiran，HuYanan，LiBin
（BeijingDingHaoXinYuanTechnologyCo.，Ltd.，Beijing100026China）
ABSTRACT：Inordertoensurethesafeoperationofthewindturbinegeneratorset，reducetheoperationtimesofthegrid-connectedcircuitbreaker，improvetheservicelifeofthegrid-connectedcircuitbreaker，andimprovethesafetyfactoroftheoperationofthewindturbinegeneratorset，amodificationschemetoincreasethegrid-connectedcontactorisdesignedincombinationwiththeactualsituationofthewindfield.Onthebasisofnotreducingthecontrolrequirements，thisschemeaimstoimprovetheservicelifeofthegrid-connectedswitchandthereliabilityofthesystem，andselectsthecurrentmatureoverallsolutionofaddingprotectivecircuitbreakerstothestatorcontactors，inwhichthestatorcontactorsadoptauniqueandadvancedcontrolmodetorealizethecooperativeprotectionofcontactorsandcircuitbreakerswithoutchangingthecorecontroloftheoriginalfrequencyconverter.Theadvantagesofthesystemdonotchangetheinvertercontrollogicandprotectionrequirements.Improvetheservicelifeandreliabilityofgrid-connectedswitches；Thedesignedsystemcanmakeupforthedefectthatthecontactoriseasytodamageduetohighcurrentbreaking.Thescopeofreconstructionisminimal；Thetransformationcostisoptimal.
Keywords：Windpowerheating；Frequentstartandstop；Energystorageunit；Predictivecontrol
0引言
国华新右旗风电场采用东汽1.5MW风力发电机组，其并网断路器采用西门子并网断路器。自2006年投运至今，并网断路器的并网与脱网次数逐年增加，具不完全统计一台风机系统脱并网次数为2000~3000次/年，由于并网断路器有其设计规定的电气与机械动作次数，当超过设计次数时，并网断路器易出现拒动状况，当并网断路器拒动时，会危及发电机与箱变的安全，甚至导致箱变与发电机的损坏，从而影响风力发电机组的安全可靠运行。
1.增加接触器改造方案
增加接触器并使用原控制并网断路器信号控制接触器，原断路器仅按照设定保护曲线保护动作。这种方式下：
接触器寿命短。由于原并脱网控制信号控制断路器，断路器具有极限分断能力以下各种电流的分断能力。现用于控制接触器，根据系统选用的接触器性能，保证其运行寿命的前提是按照额定电流以下进行分合使用。这种情况下断路器保护范围和接触器允许分合电流范围存在死区。因此在故障工况下控制脱网，可能会导致断路器不动作而接触器在超过额定电流的情况下分断。
这种操作可能十次、百次看不出问题，刚刚投运情况尚可，但随着发生次数的累计，接触器寿命急速下降，最终导致触点粘连等问题，严重时会因为低风速不能脱网而烧毁变频器。
系统配套成本高。接触器吸合时功率达1.2KVA到2KVA，且低电压穿越发生时接触器需要后备电源支撑，现有系统采用后备电源采用交流UPS，为满足接触器合闸冲击特性，系统改造中需要更换UPS等相关部件；最终成本居高不下。
2.更改变频系统控制板方案
更改变频系统控制板，增加相关控制端口。这种方式下可靠性难以保证。由于变频系统中存在重多控制变量和硬件特性参数，更改控制板同时需要更换所有主程序。这种情况下在对系统没有长时间、全面的理解、试验的基础上，难以保证系统可靠性；整体成本高。该方案除需要更换核心板外，与上一常规方案相同，外部配套硬件成本仍然较高。因此整体难以达到性价比的最优。
3.综合保护改造新方案
根据上章节器件特性分析，在充分分析变频器原有控制系统动作逻辑的基础上，我们设计了综合保护改造方案，该方案不是简单的元件增加，而是通过一整套带有低穿和保护的接触器方案加断路器来替换原断路器。保证改造后机组并脱网运行的长寿命和高可靠性。
3.1改造前结构
改造前系统相关主回路如下图所示：
图5.改造前相关主回路示意图
主回路及控制回路说明如下：
1）、主回路上，发电机定子电缆直接连接至变频器并网断路器，并网断路器出线连接至箱变；
2）、控制回路上，变频器发出1路分合闸命令用于控制并网断路器并脱网。由于断路器具备故障分断能力，该命令无法区分是否分断时有故障电流和故障电流的大小；
3）、断路器使用蓄能电机分合闸，分合闸过程中无接触器线圈动作冲击；
3.2改造后结构
改造前系统相关主回路如下图所示：
图3-2改造后相关主回路示意图
改造后系统特点描述如下：
1）、通过结构优化，在不改变原柜体框架结构的条件下，增加接触器。
2）、加入独有的防冲击LVRT单元及模拟断路器控制信号回路使得替换后系统与原相关控制信号对接，完全模拟原断路器的合闸、蓄能、欠压、分闸等功能。同时在不改变外部配电和备用电源容量的条件下解决接触器低穿时涉及的相关问题；
3）、加入独有的新型综保单元，使得改造后的接触器系统具有智能判断能力。在即使原系统只提供1路分断信号的条件下，根据选用接触器特性参数，选择动作对象及动作速度，通过和断路器的配合，完全避免了故障工况下使用接触器脱网损坏相关器件的风险；
4）、独立的安全链设计，在现有保护设计的基础上增加安全回路，保证系统可靠性。
3.3缓冲电源设计
缓冲电源采用先进的IGBT控制技术，将AC220V交流电智能转换成DC250V直流电输出。
供给接触器线圈供电使用，同时给本机内部和外部扩展的电容进行充电，待输入电源断电后，缓冲电源可不问断的将电容上存储的电能释放给接触器线圈，可以维持线圈继续保持吸合状态达8S以上，使系统能够安全的完成系统断电后的智能操作，对系统的安全运行提供了强有力的保障。
缓冲电源属于智能稳压控制系统，上电后自动启动稳压控制，稳定输出250V直流电压，此时缓冲电源面板上工作指示灯频闪。
缓冲电源内电容容量为4300uF，掉电后，以大约10W功率放电，可延迟9秒钟，直流电压降到100V。若想获得更长的掉电延迟时问，可在外接电容端子连接外接电容。外接电容容量越大，掉电延迟时问越长。外接4700uF电容，掉电可延迟18秒钟，直流电压降到100V，详见表1、2。
使用时注意直流电压输出端子与外接电容端子的正负极不能接反，要进行严格检查后许可上电。
工作曲线说明如下：
无负载上电曲线（图一）：t1-t2时间200ms；
稳定状态时加负载（图二）：t1-t2时间200ms；
带负载上电曲线（图三）：t1-t4时问300mst2-t3时间100ms；
带负载掉电（图四）：t1-t2时问9s（无外接电容）；
图3-3缓冲电源工作曲线
3.4综合保护单元硬件设计
图3-4综合保护单元硬件电路
综合保护控制系统策略的核心思想是常规并脱网，由接触器完成，故障工况的并脱网，由断路器完成。
正常工作过程
1）变频器发出并网脉冲命令；
2）接触器控制器接收到并网命令，在使能端口（同时实现分闸）已使能的前提下，控制器输出端口控制接触器完成合闸；
3）变频器发出脱网命令；
4）接触器控制器使能端口（分闸端口）收到命令，同时检测脱网电流为正常条件下，控制器输出端口断电完成接触器分闸；
故障保护动作过程大致过程如下：
1）故障电流发生时，断路器和接触器的控制器会同时各自检测到该状态；
2）如主控没有发出脱网信号，则断路器会根据控制器设定参数跳闸，接触器延时分断；
3）如主控发出分断信号，则接触器控制器会判断故障电流情况：
3.1）如故障电流大于1.1倍的额定电流（可根据不同机组调整设定），则断路器分闸保护；
3.2）如故障电流小于1.1倍的额定电流（可根据不同机组调整设定），则接触器分断正常脱网；
3.3）如接触器分断失效，接触器保护控制器会触发前级断路器分断保护。
具体实现上，系统充分考虑了断路器3段保护及接触器分断能力之间的配合问题，既保证了短路发生时的风机的安全性，又保证了短路电流以下故障电流的快速保护。最终实现了全电流范围的安全保护。
3.5工况评估
根据接触器参数，常规情况下该产品具备5.2KA的电流分断能力；
根据系统控制策略，接触器为软并网、软脱网。在故障电流发生过程中，系统保护靠前级断路器完成，接触器延时脱网。因此接触器故障工况安全评估重点考虑短时耐受。
根据选用接触器短时耐受参数，1s内可耐受8KA，10s内可耐受7.2KA。考虑到断路器分断时间，一般接触器只需要耐受100ms，根据厂家参数绘制的曲线，可以得出100ms的短时耐受电流已经大于30KA。而1.5MW风机的短路电流在15~20KA。
图3-5接触器短时耐受电流曲线
综上，接触器在故障情况下能够满足安全工作要求。
结论
仿断路器式接触器系统是一套全新理念、性价比最高的并网断路器改造方案。该方案完全针对风力发电发展中早期变频器并网开关使用断路器工作的各种问题开发。通过系统设计，继承了断路器和接触器各自的优势，彻底解决了前级断路器保护范围与接触器工作范围之间的保护盲区问题，同时规避了简单接触器改造后埋藏的潜在风险。
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王沛然（1982-），男，汉族，高级工程师，硕士，研究方向电气设计与电气控制。E-mail：w_p__p_r@
胡雅楠（1983-），女，汉族，高级工程师，硕士，研究方向电气设计与电气控制。控制。E-mail：hynna@
李斌（1985-），男，汉族，硕士，研究方向为风电机组控制技术。E-mail：libin727328@

-全文完-