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风电EPS系统升级改造技术应用案例EPS ( Enmergency Power Supply)即紧急电力供给,是一种含有储能装置,以逆变器为主要组成部分的应急电源供给系统。
目录
一.背景
EPS ( Enmergency Power Supply)即紧急电力供给,是一种含有储能装置, 以逆变器为主要组成部分的应急电源供给系统。早期的风力发电机组由于没有低 电压穿越和高电压穿越设计要求,在风机电网跌落或者升高至变桨系统故障时,变桨系统会发生故障从而进入紧急变桨模式,导致风电机组停机,降低了发电量和可利用率,同时机组脱网加剧电网扰动,进一步扩大电网故障范围。
目前已投运风电场EPS柜多数采用铅酸电池[1]作为后备电源,电池寿命短,且供电方案采用的是背靠式,由于后备电源长期处于非运作状态,设备中元器件表面容易产生凝露,从而导致在电路切换过程中短路而烧毁元器件。市场上部分EPS柜结构为UPS原理,不符合新的高低电压穿越标准,需要改进升级。
二.应用案例
(一)项目概述
福建省泉州市某风场EPS改造案例。日常运行中频繁误报“过湿加热故障”,以及风 机误报"C相IGBT故障”,且EPS柜出现故障后,需人员至现场重启设备,增加维护时间,发电量及风机利用率也受很大影响。高穿测试现场调试过程中,并网模拟时,经常出现“轮毂驱动故障或轮毂要求紧急收桨”故障。
技改目标:EPS实现在电网故障时给风电机组控制系统供电,保证风电机组在电网故障情况下不脱网,提高机组的发电量,同时给电网提供所需要的无功功率,提高电网的稳定性。电网故障通常指电网短路跌落或升高时,控制系统供电的三相380V 交流电压超出允许的工作范围。
1. 改进方案
1) 防盐雾防腐蚀,采用IP54防护等级,保护核心部件免受外部环境影响。
2) 将储能单元改成超级电容;
3) 减小切换时间,采用虚拟同步的微电网变流技术,实现外部电网与UPS 的无缝切换;
4) 增加自动复位启机功能;
2. 改进后优点
主电路采用超级电容+双向DC/DC+双向DC/AC的微电网储能变流技术,相对与 传统的UPS有如下优点:
1) 采用虚拟同步技术——UPS与电网并联,实现电网与UPS的无缝切换;
2) 通过DC/DC与超级电容连接——电容可放到最小设定电压值,可以充分利用电容容量或减小电容容量;
3) UPS变流器工作在轻载状态——减小变流电路的发热,减化散热器设 计(采用自然冷却),提高了可靠性
4) 采用双向变流器一一减化了充电电路和隔离电路,有利于减小系统 的体积和重量。
(二)主要效益
案例项目改造完成后,全场机组顺利通过高电压穿越测试,基本消除由EPS系统带的故障停机,一个月减少机组故障10次以上,风场可利用率显著提高。
三.技术要点
1.正常工作模式
正常工作模式下,外部电网能量分成两路:一路通向负载供电;另一路向双向DC/AC 和DC/DC高超级电容CS充电。DC/AC工作在虚拟同步机模式,通过调节频率调节功率 流向,其频率低于电网频率时,从交流侧吸收功率,反之,向交流侧输出功率。
2电容供电模式
当控制器检测到外部电网电压跌落或电网电压过高时,给SK关断信号,此时双向 DC/DC和DC/AC变流器将电容能量向负载提供。
SK由两个反并联的晶闸管组成的电子开关,能在10mS内关断,避免了因外部电网 故障时DC/AC与外部电网间出现大的电流。当外部电网正常后,控制器在DC/AC输出电 压大小与频率与外部电网时相同时,触发SK,恢复到正常工作模式。上述转换过程没的 时间间隔,冲击小。
3旁路工作模式
如超级电容Cs、DC/DC或DC/AC出现故障时,此时启动旁路模式,断开系统供电输出,外电源通地直接输出给负载供电。
4维修工作模式
检修时,将UPS与外部电源和负载隔离,外部电源通过开关直接输出,给负载供电。为了防止UPS与外部电源和负载接通,通过机械结构实现联锁。
5.储能电容CS选择
逆变器要输出三相电压为AC380V,采用空间矢量调制时,直流侧电压Ud应大于537V。 因为采用双向DC/DC与超级电容连接,因此超级电容压选择有两个原则:其一、超级电 容最大电压Ucs_mac应小于逆变器[2]直流母线电压Ud;其二,为了减小DC/DC损耗,越级 电容的最大电压Ucs_mac应与Ud接近,大于连续三次低电压穿越所需要的供电时间3S, 满足要求并有足富裕量。
6.防盐雾措施
控制板、功率器件、电池及开关电器安装的防护等级为IP54或更高的密封区间内, 防止有害气体和液体入侵密封区间内。柜体采用纳米防腐涂层,满足防盐雾、防腐蚀和防霉变要求。
四.应用前景
近年来,随着风电在电网中比重的大幅提高,风电机组电网支撑能力越来越 重要,风电机组电网故障穿越性能越来越受到重视。为保证电网安全稳定运行,国家电网公司逐步对风电机组的高电压穿越能力提出了相关要求。其中,国家电网调【2011]974号《关于引发风电并网运行反事故措施要点》中明确提出“风电 机组应具有必要的高电压穿越能力”的要求,并提出“风电场无功动态调整的响 应速度应与风电机组高电压穿越能力相匹配,确保在调节过程中风电机组不因高电压而脱网”。随着国家电网公司对风电机组的涉网性能提出更高的要求, 2014年以前建设的风电机组已经无法满足,EPS系统改进升级需求迫切。
EPS系统改进升级项目,一方面可以降低机组故障率,提高发电量及风机可利用率,保障机组安全运行,具备很大的经济效益;另一方面,升级改造可以 满足电网对机组逐步的提高涉网特性,使老旧机型顺利通过电网测试要求。该技术涉及改造升级项目在400台以上,经过改造的机组,能更好的通过电网高穿、调频等涉网特性检测,获取第三方检测报告,可广泛推广应用。
参考文献
- ↑ 一文助您了解“铅酸电池、锂电池、石墨烯电池”的区别,搜狐,2021-10-29
- ↑ 逆变器的17种主要类型 ,搜狐,2022-05-20