兆瓦級風電機組低電壓穿越過程運行特性分析

朱志權

(上海電氣風電集團股份有限公司，上海 200233)

0 引 言

低電壓穿越(LVRT)是對并網風機在電網出現電壓跌落時仍保持并網的一種特定的運行功能要求。風電機組的LVRT能力是風電機組并網的技術指標之一，隨著風電裝機容量的迅猛增加，為保證風電健康可持續發展，風力發電系統需具有較強的LVRT能力，同時能方便地為電網提供無功功率支持。電網電壓跌落會對運行機組動態特性造成瞬間的影響，包括發電機電磁轉矩、發電機轉速、機組輸出有功功率、風輪轉速以及機組槳距角等。而除了運行特性，風電機組LVRT的實質指的是電網電壓跌落時風電系統能量的不平衡，根據能量守恒定律，當電網電壓瞬間跌落，機組輸出功率瞬間下降，機組風輪葉片捕獲的能量將轉化為其他形式，如機組關鍵部件振動，即當此種巨大的能量不平衡發生時，可能造成風電機組傳動鏈的轉矩不平衡或扭振[1]，以及對塔筒的載荷沖擊。

部分文獻研究了風電機組重要部件在正常工況下機械載荷特性仿真與測試驗證情況，也有文獻研究了機組在LVRT過程中重要部件如主軸、塔架的仿真與測試載荷特性，但是這些文獻研究對象實際測試機組都為小兆瓦機組，即4 MW以下機組，并且未對實際LVRT故障工況進行測試與仿真對比驗證分析。

4 MW及以上機組為大兆瓦機組，為研究LVRT故障對大兆瓦雙饋機組行為及重要部件的載荷特性影響，本文運用GH Bladed仿真軟件建立某4.X MW大型雙饋風力發電機組仿真模型并進行仿真分析，利用該機組已有型式試驗數據對該機組實際運行特性進行分析，同時對LVRT故障實測工況進行仿真和對比驗證分析，深入研究LVRT故障對大兆瓦機組重要部件的影響。

1 LVRT機組行為分析

在兆瓦級雙饋風電機組發生LVRT期間，電網電壓的跌落造成風電機組輸出電磁功率與機組風輪捕獲能量瞬間不平衡，發電機轉速上升。當發電機轉速達到發電機額定轉速時，變槳系統動作，通過調節葉片槳距角降低風力機的風能轉換系數，使輸入和輸出功率平衡，發電機轉速下降[2]。由于機組變槳速率有一定的限制，捕獲風能降低的速度遠不及因為電網電壓跌落導致機組有功功率降低的速度。文獻[3]建立了雙饋型風電機組雙饋電機數學模型以及傳動鏈系統動力學模型，分析了電壓跌落時風電機組有功出力降低導致發電機電磁轉矩減小，軸承部分產生較大應力變化，從而對軸承和塔筒的機械載荷產生的沖擊。文獻[4]分析了塔架左右方向運動響應模型及特性，風電機組塔架左右方向一階模態運行特性是一個典型的欠阻尼二階系統，在電網電壓故障情況下，雙饋發電機組電磁轉矩的突變易激發塔架左右方向晃動。

1.1 LVRT故障

GB/T 36995—2018[5]規定了風電機組在LVRT時應具有圖1中曲線1的電壓-時間范圍內不脫網連續運行的能力。

圖1 風電機組LVRT故障曲線

LVRT測試使用電壓跌落發生裝置在測試點產生電壓跌落，負載測試時按照表1設置電壓跌落幅值及持續時間進行測試。

表1 電壓跌落測試電壓規格

1.2 Bladed建模仿真分析

Bladed是英國Garrad Hassan公司開發的針對風力發電機組領域建模及載荷計算的軟件，該軟件被廣泛應用于陸上及海上風電機組的建模仿真，主要用于輸出各個部件的時序載荷、極限載荷與疲勞載荷，以及風電機組各部件設計及選型。除了常規的風電機組運行工況，Bladed還可以對機組一些非正常運行情況進行仿真，包括限功率或限轉速運行工況、屏蔽或開啟某項特殊控制策略下的運行工況、以及LVRT工況等。

在Bladed軟件中，利用 turbine faults 模塊中的generator faults，設定LVRT時的電網電壓分布以及電壓開始跌落的時間，仿真低電壓故障穿越工況。著重分析機組分別在小風及大風風況下故障穿越過程中運行參數的情況以及載荷響應情況；仿真工況選擇電網電壓跌落程度最大的惡劣工況(電壓跌落80%)進行仿真，以分析在最惡劣情形下機組運行安全性。

1.3 小風下電壓跌落80%工況仿真分析

使用穩態風況進行仿真分析，平均風速設定為5 m/s，按照表1在Bladed軟件的故障模塊設定電壓跌落幅值為額定電壓的80%，故障觸發時間為開始仿真后第60 s，故障持續時間為625 ms。

電壓跌落仿真過程運行參數及載荷響應如圖2所示。從圖2中可以看出，在發生LVRT故障時，由于電網電壓跌落，發電機扭矩急劇跌落，發電機輸出電磁功率與捕獲能量不平衡，轉速快速上升，由正常轉速約113.75 r/s上升至最高115 r/s，由于未達到仿真機組發電機額定轉速178 r/s，機組變槳系統未動作。同時由圖2(f)和圖2(g)可以看到，機組的機艙左右方向位移和塔架左右方向的載荷在電壓跌落時增大，幅值有振動趨勢。但是小風下對于塔架左右載荷影響幅度較小，最大載荷增大19%左右。

圖2 小風下電壓跌落80%仿真響應結果

1.4 大風下電壓跌落80%工況仿真分析

使用穩態風況進行仿真分析，平均風速設定為13 m/s，按照表1在Bladed軟件的故障模塊設定電壓跌落幅值為跌落80%，故障觸發時間為開始仿真后第60 s，故障持續時間為625 ms。同時對于未觸發LVRT故障的正常發電工況進行仿真，將兩次仿真結果進行對比分析。

機組正常運行工況和大風下電壓跌落80%工況仿真過程運行參數及載荷響應如圖3所示。從圖3中可以看出，在大風風況下機組發生LVRT故障時，由于電網電壓跌落，發電機扭矩急劇跌落，發電機輸出電磁功率與捕獲能量不平衡，轉速快速上升，由正常轉速約177.95 r/s上升至最高198.67 r/s，超過了機組的發電機額定轉速，因此機組的變槳系統開始收槳來降低捕獲的風能，從而使輸入輸出功率平衡，發電機轉速回落，直至恢復正常。同時由圖3(e)和圖3(f)可以看出，機組的機艙左右方向位移和塔架左右方向的載荷在電壓跌落時增大，且變化幅值比小風工況時的更大，在故障穿越時機艙左右方向最大位移增大87.6%，塔架左右方向最大載荷增加124%。

圖3 大風下電壓跌落80%與正常工況下仿真響應結果

2 LVRT測試機組行為分析

2.1 測試系統

風電機組測試系統是基于多種通訊協議的分布式數據采集系統，可同步記錄風電機組功率特性測試及載荷測試所需求的多種變量，例如風速、風向、溫度、氣壓等氣象參數；有功功率、無功功率等電氣參數；風輪轉速、槳距角、偏航誤差、風輪方位角、機組運行狀態等運行參數；以及葉片載荷、風輪載荷和塔架載荷等載荷量。圖4給出了一個基于集成存儲控制器(IMC)搭建的采集系統。

圖4 基于 IMC 設備搭建的采集系統

采集系統可以記錄在LVRT測試期間風力發電機組基本運行參數以及塔架等關鍵部位的基本載荷。對4.X MW大型雙饋風力發電機組型式試驗數據進行分析。

2.2 小風下電壓跌落80%測試結果

使用小風風況下電壓跌落80%測試數據分析小風風況下發生故障穿越時刻測試機組響應特性。測試工況輪轂中心高度平均風速為5.93 m/s，電網發生三相短路故障，電壓跌落至額定電壓的20%(跌落幅值為額定電壓80%)，跌落持續時間為625 ms，機組故障穿越時刻運行參數及載荷響應如圖5所示。

從圖5中可以看出，在整個LVRT過程中機組未脫網，由于測試工況輪轂中心高度平均風速為5.93 m/s，機組未達到額定功率，在電網電壓跌落時機組有功功率瞬間跌落，機組風輪轉速上升，轉速未達到額定轉速，槳距角未動作。主軸受到沖擊發生扭振，扭矩幅值變化劇烈，在電網恢復的過程中，呈振蕩恢復的趨勢，而在小風工況下，對塔架左右測試載荷影響微小，僅出現了小幅度的振動。

圖5 小風下電壓跌落80%測試機組行為特性

2.3 大風下電壓跌落80%測試結果

使用大風風況下電壓跌落80%測試數據分析大風風況下發生故障穿越時刻測試機組響應特性，測試工況平均風速為12.28 m/s，電網發生三相短路故障，電壓跌落至額定電壓的20%(跌落幅值為額定電壓80%)，跌落持續時間為625 ms，機組故障穿越時刻運行參數及載荷響應如圖6所示。

從圖6可以看出，由于測試工況輪轂中心高度平均風速為12.28 m/s，達到額定風速為大風工況，故障時刻機組處于額定功率下運行狀態，在電網電壓跌落時機組有功功率瞬間跌落，機組風輪轉速上升，轉速達到額定轉速，槳距角動作按照設定速率機組收槳，以減少風輪捕獲能量。主軸受到沖擊發生扭振，扭矩幅值變化劇烈，在電網恢復的過程中，呈振蕩恢復的趨勢，同時，在大風工況下機艙左右方向加速度明顯增大振蕩，塔架左右彎矩載荷明顯增加。在恢復過程中，由于有一定的扭振存在，可以看出風輪轉速在恢復過程中有一定的振蕩過程。

圖6 大風下電壓跌落80%測試機組行為特性

3 測試工況仿真對比

使用測試數據識別出機組如葉片揮舞擺振一階、塔架前后左右一階等頻率，以及實際生產部件質量、質心等來修正仿真模型，使仿真模型盡可能接近實際機組。使用修正后模型進行仿真，對測試結果和仿真結果進行對比分析。

在測試與仿真對比時，要盡可能保證風資源環境的一致性，在實際風速隨機變化的前提下，進行LVRT測試工況的仿真時需要根據實際測試狀態，在Bladed軟件中設定合適的時間點觸發LVRT，以盡可能保證仿真與測試環境的相似性，復現實際測試工況。

對大風下電壓跌落80%工況進行仿真，將測試數據中的風速、偏航誤差、空氣密度、計算出的湍流強度等作為仿真輸入參數，根據實際發生故障穿越時間點設定故障觸發時間，在Bladed故障模塊設定電壓跌落幅值為跌落80%、故障持續時間625 ms，對修正后的模型進行瞬態運行工況仿真。測試與仿真結果如圖7所示。

從圖7可以看出，在大風下發生三相電壓跌落時，測試、仿真、理論分析一致，都表現出了相同的行為特性，機組在故障穿越時的有功功率急劇下降，風輪轉速升高，同時受能量不平衡影響，機艙左右加速度增大，出現振蕩趨勢，機組塔架左右載荷增大。結果驗證了理論分析，同時也更真實地反映了LVRT時刻機組運行和載荷特性，故障穿越對機組載荷的影響不可忽略，需要關注分析。在仿真與測試對比結果中，該4.X MW機組塔架左右仿真載荷結果大于測試載荷，在設計時使用仿真載荷對塔架進行校核計算，LVRT時引發的塔架大載荷在安全范圍之內。

圖7 大風下電壓跌落80%測試與仿真對比結果

4 結 語

LVRT過程會引起風電機組運行特性變化，也會對機組結構部件造成沖擊載荷。針對某4.X MW大型雙饋機組，本文使用GH Bladed建立模型并仿真LVRT過程工況，對已開展型式試驗的該機組進行LVRT測試期間數據分析，研究故障期間機組行為及機械載荷特性以及測試驗證對比分析，確保機組設計的安全性。仿真和測試結果表明：

(1) 在LVRT過程中，電網電壓的跌落帶來的能量不平衡會導致機組傳動鏈扭振，同時造成塔架載荷沖擊，使塔架載荷瞬時增大，在故障恢復的過程中有一定的振蕩。

(2) 在大風工況下，LVRT對于機組的影響遠大于小風工況，機艙左右振動的幅度顯著增加，仿真情況塔架載荷的最大載荷比正常工況載荷增加超過120%。

(3) 機組設計時必須考慮LVRT故障下載荷，通過測試與仿真結果對比，驗證機組的設計載荷包絡測試載荷，機組設計處于安全范圍中。