电网电压骤降故障下发电机建模与控制分析

杨利军

（晋能清洁能源风力发电有限责任公司）

0 引言

在我国低碳环保事业持续发展的当下，绿色清洁能源已经成为我国社会能源转型的重点和难点，风能发电是我国发电企业当前首选的发电方式。在用电需求量日渐增多的当下，风电装机并网容量持续增加，其在电力系统当中的地位持续提升，大容量的风电场并网运行，可以切实保障当前社会日渐增长的用电需求。电网电压骤降是较为常见的故障类型，因此必须要及时结合电网电压骤降故障的实际情况，持续优化发电机组的各系统性能，切实保障风电机组的稳定运行，实现风电企业的经济效益最优化［1］。当前，我国风电机组朝着大型化的趋势发展，风电机组的容量和风轮直径持续扩大。在风电机组发电量增加的同时，风电企业面临着维持机组运行稳定性的考验。变桨系统作为大型兆瓦级风电机组的核心系统，可以有效保障机组的运行安全，强化机组运行效率，并且对机组的运行性能起到了直接影响。为了有效解决电网电压骤降故障，当前很多风电企业引入了电子变桨系统，从而能够在风电机组正常运行的基础上，确保风电机组具备高、低电压穿越能力，提高其一次调频能力，实现风电机组的稳定运行［2］。因此，本文为了降低电网电压骤降下转子过电流和直流电容过电压的危害，以变换器的数学模型为基础，对某2.0MW 风力发电机组的变桨系统进行设计，从而实现对电网电压骤降故障的控制，以实现风电企业经济效益的最大化。

1 项目概况

某风电场安装有26台某型号2.0MW 风力发电机组（重庆海装风电工程技术有限公司），配套连云港杰瑞电子有限公司生产的直流变桨系统，后备电源采用铅酸蓄电池组。该型变桨系统故障率高，且厂家已退出市场，技术支持和备件都无法保证，已成为制约风电场安全、经济运行的主要因素。2022年对风电场10台风力发电机组变桨系统进行了技术改造，改造后的变桨系统满足GB／T36995-2018《风力发电机组故障电压穿越能力测试规程》、GB／T20319-2017《风力发电机组验收规范》、GB／T32077-2015《风力发电机组变桨距系统》、GB／T25385-2019《风力发电机组运行及维护要求》、NB／T31126-2017《风力发电机组变桨驱动变频器技术规范》等文件要求，风电机组正常运行，同时改造后的风电机组应具备高、低电压穿越能力和一次调频等功能。

2 机组变桨系统建模设计方案

2.1 总体设计方案

在设计变桨系统时，主要考虑控制桨叶的角度，以便于实现预设的发电功率，并且对叶轮转速进行合理控制，从而降低风电机组的荷载。在风电机组停机时，应该保障桨叶回到安全位置，并且实现启动刹车［3］。在变桨系统设计的过程中，还应该确保足够的稳定性和精准度，变桨系统应该具备足够的稳态精度和动态性能，将变桨响应延时控制在200ms之内，变桨控制软件的执行周期也应该满足在200ms之内。此外，变桨系统应该具备高可靠性，满足低电压穿越的相关国家标准规定，达到降低电网电压骤降故障的效果。在进行变桨系统设计时，还应该满足系统功能运行需求“接受风电机组主控系统指令、动态调节桨距角、降低机组所承受的荷载、实现机组最优运行、实现机组安全运行”［4］。变桨系统必须要结合主控通信指令的要求，实现启机、变桨、顺桨等诸多功能。在正常情况下，变桨系统应该采用电网供电，在发电电网故障紧急停机时，系统应该使用后备电源，系统整体设计如图1所示。

图1 变桨系统整体结构

2.2 变桨系统硬件设计

变桨系统的硬件有控制系统设备、控制柜、变桨电机、编码器、连接线缆、安装设备材料等。变桨系统硬件的主要参数见表。

表 变桨系统硬件主要参数

2.3 变桨系统软件设计

变桨系统软件从结构上可以分为中间固层、底层软件、硬件驱动三个程序层次，将变桨系统软件的执行周期设置为10ms。变桨系统主机状态可以分成运行、停机和制动，如图2所示。在变桨控制器启动之后，首先要将底层软件和驱动系统进行复位控制，若该系统没有出现故障，那么便可以进入到正常运转状态；若运行出现了故障，那么便需要对变桨进行制动，从而实现收桨归位［5］。将桨叶归位之后，若出现故障，要先清除故障，并使变桨系统重新进入待机状态；若没有出现任何故障，那么则需要在主控系统发出相应指令之后，进入到变桨系统准备运行状态。

变桨系统的位置控制使用三环控制模式，如图3所示，位置控制在变桨控制器当中被稳定执行，还应该确保控制环和电流环在变桨驱动器当中稳定执行。变桨控制器接收到相应的指令信号之后，3个桨叶迅速跟踪定位速度和参数，将位置信息和实际速度反馈给主控制器。最内的PID是电流环，电流环需要在控制器内部执行并且动态化响应。借助霍尔传感器检测驱动器电流，反馈给电流设定，并且调节PID，以实现对输出电流进行动态化追踪［6］。通过检测电编码器信号的方式，对风电机组的转速进行分析，然后在负反馈PID调节之下，输出直接电流环，并且对其进行设定。在进行变桨系统软件设计时，还应该保证3个桨叶的角度一致，若忽视了三桨叶角度，出现了三桨叶角度偏差，可能会导致风电机组叶片不平衡等诸多问题，并且将三桨叶角度偏差控制在0.05°之内，便可以在一定程度上降低风电机组的荷载。永磁同步电机转矩可以根据电机电流和转矩电流数值进行计算，三桨叶力矩大部分位于40N·m以内，确保运转在电机额定转矩当中。在稳定软件设计的基础上，确保变桨系统稳定运行，高精准度跟踪主控指令，确保主控数据信息精准实施，以使三桨叶运行同步［7］。

图3 变桨位置经典三环控制

3 机组变桨系统建模设计效果

某风电企业在2022年对风电场10台风力发电机组变桨系统进行技术改造，改造完成后，10台风力发电机组变桨类故障数量由原来的每月1.9次／台，下降为现在的每月0.2次／台。鉴于改造后的良好效果，2023年拟继续改造10台机组的变桨系统。改造采用的变桨系统设计、制造、安装、调试等符合各项标准，改造完成后风力发电机组运行稳定。

通过机组变桨系统建模设计和技术改造，实现了风电场提质增效，解决了机组变桨系统故障率高、备件消耗多、技术支持困难等问题，减少了故障停机时间，提高了设备利用率，预计10台风电机组每年可减少因故障损失的电量约8.7×105kW·h，改造后的变桨系统在质保期内的备品备件均由厂家提供。此外，机组变桨系统建模设计优化能够提高风力发电机组的安全性，改造后的变桨系统后备电源为超级电容，解决了铅酸蓄电池后备电源随环境温度降低而容量减小的弊端，既提高了机组运行的安全性，也避免了每两年更换一次电池，提高了经济性［8-9］。同时，替换后的变桨系统和变频器系统匹配成熟，能够彻底解决机组频繁超速的问题。改造后的变桨系统具备高电压穿越能力，以后进行风电机组高穿改造时不再需要考虑变桨系统改造。

4 结束语

总而言之，电网电压骤降故障是非常容易出现的故障，为了有效解决该问题，应该对原风电机组变桨系统进行优化。结合不同风电机组的实际情况，对潜在的故障问题进行系统化分析，合理设计变桨系统的硬件与软件，真正结合风电企业自身的战略目标，实现变桨系统设备的优化和完善，展现出变桨系统的实际运行价值，确保风电机组稳定、高质量运行，为风电企业的创新发展和经济效益提供最大化的助力。