CN113452019B - 一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统及方法，包括变流器网侧逆变模块、主控、变流器机侧整流模块和旁路负载；主控输入端连接风电机组的电网端，主控输出端连接变流器网侧逆变模块和变流器机侧整流模块的输入端，变流器网侧逆变模块和电网端连通，变流器机侧整流模块输入端连接发电机；当电网正常时，风电机组的发电机通过变流器机侧整流模块和变流器网侧逆变模块连接电网端；当电网发生脱网时，风电机组的发电机负载端通过变流器机侧整流模块连接旁路负载。有效抑制风电机组因脱网导致的转速增加，降低极限载荷。

Description

一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统及方法
技术领域
本发明属于风力发电领域，涉及一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统及方法。
背景技术
风力发电机组是一个涉及空气动力学、结构力学、结构动力学、气动弹性力学、控制理论、机械、建筑等专业的复杂多学科系统。风电机组的载荷主要来源是气动载荷、重力载荷、惯性载荷，是影响整个风力发电系统成本和效率的重要因素，载荷除了关系到机组的安全性以外，还直接决定机组的制造成本。降低机组的载荷是提高机组发电性能而提质增效和降低制造成本的重要手段。
目前风电机组的设计主要是依据GL和IEC61400标准对整机的极限和疲劳载荷进行计算分析，在机组设计评估阶段，必须考虑在风电机组使用的寿命期内可能出现的极端条件和一般可能性，如极端阵风或极端湍流风、电网失电、变桨故障等等可能发生的情况。而极端情况中的一种或多种情况叠加发生时，必然会产生极限载荷。极限载荷过大时，必须对风电机组的各子系统和零部件进行加强，才能保证零部件不发生失效或破坏，会限制机组的风轮直径和制造成本等，严重影响机组的发电性能。
随着风电机组的大型化，叶片和塔筒也在朝着更长更高的方向发展，除风资源条件的随机变化外，机组的负载特性的些许变化也会对机组产生相对较大的影响。特别是极端阵风ECD、EOG、EWS等极端风速发生时，一旦叠加电网失电或机组脱网的情况，对机组的载荷冲击和振动影响已成为目前机组大型化设计的重要影响工况设计。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统及方法，有效抑制风电机组因脱网导致的转速增加，降低极限载荷。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，包括变流器网侧逆变模块、主控、变流器机侧整流模块和旁路负载；
主控输入端连接风电机组的电网端，主控输出端连接变流器网侧逆变模块和变流器机侧整流模块的输入端，变流器网侧逆变模块和电网端连通，变流器机侧整流模块输入端连接发电机；
当电网正常时，风电机组的发电机通过变流器机侧整流模块和变流器网侧逆变模块连接电网端；当电网发生脱网时，风电机组的发电机负载端通过变流器机侧整流模块连接旁路负载。
优选的，旁路负载采用备用电源或超级电容。
优选的，风电机组上设置有振动传感器，振动传感器输出端连接主控输入端。
进一步，振动传感器设置在风电机组的塔顶或机舱。
优选的，风电机组的发电机上设置有转速传感器，转速传感器输出端连接主控输入端。
优选的，风电机组上设置有变桨驱动装置，变桨驱动装置输入端连接有主控。
优选的，当风电机组为永磁直驱风力发电机组时，旁路负载采用超级电阻回路。
优选的，当风电机组的发电机为需要励磁的发电机时，定子端为负载端，旁路负载采用超级电阻回路，转子端连接有蓄电池或超级电容。
一种基于上述任意一项所述系统的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制方法，电网发生脱网时，负载消失，主控封锁变流器网侧逆变模块，通过控制变流器机侧整流模块，将风电机组发电机的输出电流输入旁路负载；以电网脱网时刻的发电机的转矩为基准，通过变流器机侧整流模块控制发电机输出转矩，使得风电机组在设定时间内线性缓慢停机，随后将负载端切回电网侧。
优选的，电网发生脱网时，主控接收振动传感器的信号，当前后向振动加速度为正值且不断增加时，调节增大发电机转矩，当振动加速度为负值时且绝对值不断增加时，调节减小发电机转矩，一个或多个振动周期后，恢复线性转矩调节，直至叶片收桨完成后，负载调节降低至0，负载端口切回电网侧。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明通过主控能够切换变流器网侧逆变模块和变流器机侧整流模块，在发生电网脱网时可以将风电机组负载端从电网侧切换到旁路侧，对机组提供负载，并且变流器机侧整流模块能够控制发电机输出转矩，使得风电机组能够平稳停机，有效控制风电机组的振动，有效抑制因电网脱网失电导致的转速增加，降低叶根、轮毂、塔顶、塔底的极限载荷。
进一步，通过振动传感器能够反馈风电机组的振动情况，从而可以实时对发电机转矩进行调节，减小风电机组的振动。
进一步，通过转速传感器，能够将发电机转速反馈至主控中，从而能够在发电机转速为零时，及时将负载端切回电网侧。
进一步，超级电阻回路作为负载可以通过经变流器整流后的电流发热，在充当负载的同时耗散能量。
附图说明
图1为本发明的控制流程图；
图2为本发明的永磁直驱风力发电机组连接示意图；
图3为本发明的需要励磁的发电机连接示意图；
图4为本发明的无旁路负载的风电机组在电网脱网失电时发电机转矩示意图；
图5为本发明的无旁路负载的风电机组在电网脱网失电时发电机转速示意图；
图6为本发明的有旁路负载的风电机组在电网脱网失电时发电机转矩示意图；
图7为本发明的有旁路负载的风电机组在电网脱网失电时发电机转速示意图；
图8为本发明的有旁路负载的风电机组在电网脱网失电时塔底弯矩示意图；
图9为本发明的有旁路负载的风电机组在电网脱网失电时振动加速度示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，包括变流器网侧逆变模块、主控、变流器机侧整流模块和旁路负载。
主控输入端连接风电机组的电网端，主控输出端连接变流器网侧逆变模块和变流器机侧整流模块的输入端，发电机通过变流器机侧整流模块及变流器网侧逆变模块和电网侧连接，变流器网侧逆变模块正常，则风电机组负载端和电网侧正常连通，若变流器网侧逆变模块封锁管关闭，则风电机组负载端和电网侧断开。
变流器机侧整流模块输入端连接发电机，正常运行时变流器机侧整流模块输出端通过直流电容连接变流器网侧逆变模块，发生脱网时变流器机侧整流模块输出端切换到旁路负载。变流器机侧整流模块既能够将输入进来的电流进行整合，然后输入至旁路负载消耗或者储存，也可以通过控制发电机电流进而控制发电机的转矩，调节发动机转速和载荷。
旁路负载采用备用电源或超级电容等储能装置。
风电机组的塔顶或机舱上设置有振动传感器，振动传感器输出端连接主控输入端，通过振动传感器能够反馈风电机组的振动情况，从而可以实时对发电机转矩进行调节，减小风电机组的振动。
风电机组的发电机上设置有转速传感器，转速传感器输出端连接主控输入端。通过转速传感器能够对发动机转速进行监测，将发电机转速反馈至主控中，从而能够在发电机转速为零时，及时将负载端切回电网侧。
风电机组上设置有变桨驱动装置，变桨驱动装置输入端连接有主控。能够在电网发生脱网时控制风电机组快速收桨或变桨，将叶片顺桨。
当风电机组为永磁直驱风力发电机组时，如图2所示，电源输入端为发电机定子，旁路负载采用超级电阻回路。超级电阻回路作为负载可以通过经变流器机侧整流模块整流后的电流发热，在充当负载的同时耗散能量。
对于需要励磁的双馈或者电励磁等需要励磁的发电机，如图3所示，除了负载旁路为定子端配备变流器机侧整流模块和超级电阻回路外，转子端还需要蓄电池或超级电容或者其他储能装置进行励磁，考虑到次同步和超同步情况，要求蓄电池或电容或储能装置不能满容量。
使用本实施例控制系统对在电网失电条件下的风电机组极限载荷控制时，过程为：
如图1所示，电网发生脱网时，负载消失，此时风电机组变桨开始快速收桨，而风轮转速由于没有负载，转速增高，振动增大。此时封锁变流器网侧逆变模块，通过控制变流器机侧整流模块，将风电机组发电机的输出电流输入备用电源或超级电容等储能装置，即将负载端由电网切入到备用电源或超级电容等储能装置侧。以电网脱网时刻的发电机的转矩为基准，通过变流器机侧整流模块控制发电机输出转矩，使得机组在一定时间t内线性缓慢停机，随后将负载端切回电网侧。此方案可以有效抑制因电网脱网失电导致的转速增加，降低叶根、轮毂、塔顶、塔底的极限载荷，同时有很好的抑制振动效果。
电网脱网时，引入振动传感器的信号，通过变流器机侧整流模块实时调节发电机转矩，当振动加速度为正值且不断增加时，调节增大发电机转矩，当振动加速度为负值时且绝对值不断增加时，调节减小发电机转矩，一个或n个振动周期后，恢复线性转矩调节，直至叶片收桨完成后，负载调节降低至0，负载端口切回电网侧。
对于永磁直驱风力发电机组，将负载端从电网侧切入到旁路同时封锁变流器网侧逆变模块，旁路为变流器机侧整流模块和超级电阻回路。而对于需要励磁的双馈或者电励磁等需要励磁的发电机，除了负载旁路为定子端配备全功率变流器和超级电阻回路外，转子端还需要蓄电池或超级电容或者其他储能装置进行励磁，考虑到次同步和超同步情况，要求蓄电池或电容或储能装置不能满容量，机组停机后，负载端口切回电网侧。
以某1.5MW机组为例，参考GL2010标准对DLC1.5工况即EOG阵风叠加电网脱网故障下的极限载荷进行仿真。
如图4和5所示，正常仿真即无旁路负载时，机组在14s，即EOG阵风加速度最大时刻发生电网脱网失电。
增加旁路负载后的仿真图如图6-9所示，方案1为无振动传感器时的过程，方案2为设置有振动传感器后的过程，从仿真结果来看，通过电网脱网失电时，使用旁路负载，可以使塔底极限载荷Mxy分别降低23％和21％，振动加速度分别减弱22％和17％，转速分别降低8.2％和6.5％，降载和减振效果显著。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，其特征在于，包括变流器网侧逆变模块、主控、变流器机侧整流模块和旁路负载；
主控输入端连接风电机组的电网端，主控输出端连接变流器网侧逆变模块和变流器机侧整流模块的输入端，变流器网侧逆变模块和电网端连通，变流器机侧整流模块输入端连接发电机；
风电机组上设置有振动传感器，测量前后向振动加速度，振动传感器输出端连接主控输入端；
当风电机组为永磁直驱风力发电机组时，旁路负载采用超级电阻回路；
当风电机组的发电机为需要励磁的发电机时，定子端为负载端，旁路负载采用超级电阻回路，转子端连接有蓄电池或超级电容；
当电网正常时，风电机组的发电机通过变流器机侧整流模块和变流器网侧逆变模块连接电网端；当电网发生脱网时，风电机组的发电机负载端通过变流器机侧整流模块连接旁路负载。
2.根据权利要求1所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，其特征在于，旁路负载采用备用电源或超级电容。
3.根据权利要求1所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，其特征在于，振动传感器设置在风电机组的塔顶或机舱。
4.根据权利要求1所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，其特征在于，风电机组的发电机上设置有转速传感器，转速传感器输出端连接主控输入端。
5.根据权利要求1所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制系统，其特征在于，风电机组上设置有变桨驱动装置，变桨驱动装置输入端连接有主控。
6.一种基于权利要求1-5任意一项所述系统的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，电网发生脱网时，负载消失，主控封锁变流器网侧逆变模块，通过控制变流器机侧整流模块，将风电机组发电机的输出电流输入旁路负载；以电网脱网时刻的发电机的转矩为基准，通过变流器机侧整流模块控制发电机输出转矩，使得风电机组在设定时间内线性缓慢停机，随后将负载端切回电网侧。
7.根据权利要求6所述的电网失电条件下的风电机组极限载荷控制方法，其特征在于，电网发生脱网时，主控接收振动传感器的信号，当前后向振动加速度为正值且不断增加时，调节增大发电机转矩，当振动加速度为负值时且绝对值不断增加时，调节减小发电机转矩，一个或多个振动周期后，恢复线性转矩调节，直至叶片收桨完成后，负载调节降低至0，负载端口切回电网侧。
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