三相電流不平衡引起的風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)分析

羅揚(yáng)曙

(云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217)

1 前言

某風(fēng)電場安裝有UP82－1500kW高原型風(fēng)電機(jī)組66臺，分兩期建設(shè)，目前都已經(jīng)并網(wǎng)發(fā)電，風(fēng)電場采用一機(jī)組一箱變 (690 V/35 kV)接線方式，并接至集電線路上，兩期各分兩回共四回集電線路接至風(fēng)電場110 kV升壓站的35 kV的開關(guān)柜中，共用35 kV母線，經(jīng)過110 kV主變壓器升壓后經(jīng)一回110 kV線路接入附近的220 kV變電站。兩期設(shè)計均配有電容器和SVG無功補(bǔ)償裝置，接在35 kV母線上，裝置第一期投運(yùn)正常，第二期未建設(shè)完成。

2 事件經(jīng)過

對風(fēng)電場送出線路對側(cè)220 kV變電站線路檢修，需要對風(fēng)電場運(yùn)行方式進(jìn)行調(diào)整，并網(wǎng)點(diǎn)由線路檢修220 kV變電站的110 kV母線并網(wǎng)改為另外一個220 kV變電站的110 kV母線并網(wǎng)。

風(fēng)電場運(yùn)行中58臺風(fēng)機(jī)不明原因脫網(wǎng)，風(fēng)電場升壓站相關(guān)電氣保護(hù)未動作，各斷路器未跳閘，故障錄波裝置未啟動，電網(wǎng)側(cè)未發(fā)生故障，風(fēng)電場升壓站綜自監(jiān)控系統(tǒng)沒有相關(guān)報警和跳閘動作信息，只有風(fēng)電場風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)了故障報警，但報警信息報文較為混亂。

3 脫網(wǎng)原因分析

風(fēng)電場計算監(jiān)控系統(tǒng)一般分為兩套，一套是升壓站綜合自動化計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，另一套是風(fēng)機(jī)計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)時升壓站綜自監(jiān)控系統(tǒng)沒有相關(guān)報警。

檢查各臺風(fēng)機(jī)故障一覽表的信息，發(fā)現(xiàn)各臺風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因和脫網(wǎng)時間都較為混亂，有的先故障后脫網(wǎng)，有的先脫網(wǎng)后故障，58臺風(fēng)機(jī)故障報文顯示的主要脫網(wǎng)原因有六種之多，而且風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)沒有首出，也沒有能提供與實(shí)際動作定值及延時時間相吻合的報文、數(shù)據(jù)及錄波資料。加之這些故障在風(fēng)機(jī)PLC和風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)后臺分別報出的時間都各不相同，相差1～776分鐘不等，根本無法梳理出合理的風(fēng)機(jī)故障和脫網(wǎng)的時間順序。

另外由于風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)配置和設(shè)置原因—PLC沒有配置事件順序記錄 (SOE)卡件和對時功能未設(shè)置，風(fēng)機(jī)故障時標(biāo)只能由監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)給定，加之存在不同的采樣的通信延時，通過風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)故障一覽表無法判斷風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)原因。但是可以通過風(fēng)機(jī)主控PLC風(fēng)機(jī)故障時生成的兩個對應(yīng)的文件來進(jìn)行原因分析查找，正常情況下，風(fēng)機(jī)故障時會生成兩個文件，其中一個是故障網(wǎng)頁快照文件 (實(shí)質(zhì)就是首出記錄文件，整個網(wǎng)頁羅列全部故障原因，但是只有首出的故障原因的狀態(tài)會變化，置為ON。)，另一個文件是風(fēng)機(jī)故障數(shù)據(jù)文件，為.txt文件。記錄了風(fēng)機(jī)故障停機(jī)前后30 s的重要數(shù)據(jù)，采樣周期為20 ms。比風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)采集的1 s間隔的數(shù)據(jù)更加精確。

為了進(jìn)一步證實(shí)事故原因，對應(yīng)查看了每臺風(fēng)機(jī)主控PLC生成的風(fēng)機(jī)故障數(shù)據(jù)文件，根據(jù)文件可以看出，停機(jī)前第－2.06 s，風(fēng)機(jī)三相電流不平衡值超過了定值100 A，第0 s時刻風(fēng)機(jī)保護(hù)故障觸發(fā)，此時電流已經(jīng)連續(xù)2 s超過定值100 A，風(fēng)機(jī)進(jìn)入故障停機(jī)模式，變槳在第0.24 s時開始順漿動作，槳葉角度開始變化，走順漿停機(jī)流程。在第1.34 s時刻變流器產(chǎn)生報警信號，第4.74 s時刻，第二相電壓開始低于360 V主控報警，第8.76 s時刻電壓低變流器報故障，第9.44 s時刻，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速低于900 rpm，風(fēng)機(jī)并網(wǎng)開關(guān)信號mcb_on從1變?yōu)?，風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)。

經(jīng)過檢查多臺機(jī)數(shù)據(jù)記錄文件，引起風(fēng)機(jī)停機(jī)脫網(wǎng)的故障都是三相電流不平衡造成的，在數(shù)據(jù)文件第0時刻啟動停機(jī)過程，停機(jī)過程中變流器的報警和故障，以及電壓低都同時在風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中報出，但是這些報警或故障都與風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)無關(guān)。

4 三相電流不平衡保護(hù)原理

目前，風(fēng)電場主控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)實(shí)現(xiàn)，本風(fēng)電場風(fēng)機(jī)PLC使用自帶的電量卡件對電網(wǎng)三相電壓、變流器并網(wǎng)點(diǎn)三相電流進(jìn)行測量。其中電壓使用的是低壓側(cè)690 V電壓，經(jīng)過3:1的PT折算后的電壓;電流使用的是經(jīng)過2000:1的CT折算后的電流，采集電壓、電流的均為有效值;另外由于PLC采樣周期為50 Hz，與電網(wǎng)頻率相同，采樣頻率較低，盡管PLC可以實(shí)現(xiàn)電壓、電流的瞬時值采樣，但是無法滿足負(fù)序電流計算精度要求。所以，風(fēng)機(jī)三相電流不平衡保護(hù)原理沒有采用國標(biāo)《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》GB/T15543的負(fù)序電流法計算方法(采集三相電流，計算出正序和負(fù)序電流，再利用負(fù)序和正序電流的比值即可得到三相電流的不平衡度)，而是采用了NEMA(美國電氣制造商協(xié)會)和IEEE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的電流偏差計算方法來實(shí)現(xiàn)，計算公式如下:

其中:LCUR%為三相電流不平衡度;

Iavg為三相電流平均值;

Ii分別對應(yīng)IA，IB，IC為三相電流有效值。

根據(jù)廠家利用電流偏差計算法與負(fù)序電流法分別計算的三相電流不平衡度對比，不平衡度在8%以下時，兩種方法計算精度誤差在1%以內(nèi);大于8%～20%，誤差在2% ～4%以內(nèi)。風(fēng)電場電流不平衡度保護(hù)定值為4%，因此可以利用電流偏差法替代負(fù)序電流法計算三相電流不平衡度。

5 三相電流不平衡分析

首先，風(fēng)電場運(yùn)行一年多來，一直較為穩(wěn)定，正常情況下由于變頻器控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)不到位，風(fēng)機(jī)存在電流不平衡的情況，短時間調(diào)節(jié)滯后或超前現(xiàn)象，會導(dǎo)致電流不平衡程度加大。

其次，風(fēng)機(jī)主控沒有電流相位采集功能，三相電流不平衡不能采用負(fù)序電流不平衡度方式來計算，只能利用了簡單電流偏差法計算，只要不平衡電流 (三相電流與三相電流平均值最大差值)大于保護(hù)定值，保護(hù)動作，此方式有一定誤差存在。

第三，風(fēng)電場對側(cè)變電站線路檢修，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行方式改變后，風(fēng)電場并網(wǎng)點(diǎn)發(fā)生改變，并網(wǎng)點(diǎn)變電站有重載的單相整流變?yōu)楫?dāng)?shù)仉娏C(jī)車提供負(fù)荷，造成了該區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)三相電流不平衡，但未超過按照國標(biāo)《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》采用負(fù)序電流不平衡度計算的保護(hù)定值的允許值，電網(wǎng)本身未發(fā)生故障。但是由于風(fēng)機(jī)保護(hù)定值設(shè)置偏小，設(shè)置不合理，風(fēng)機(jī)主控保護(hù)定值未按變頻器最大承受能力統(tǒng)一整定保護(hù)動作定值和延時定值，加之風(fēng)電場無功補(bǔ)償未投入，加大了風(fēng)電場三相電流不平衡，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)在電網(wǎng)電流不平衡沒有超過電網(wǎng)要求限值時，保護(hù)動作，最終導(dǎo)致了風(fēng)機(jī)大規(guī)模脫網(wǎng)。

6 整改措施

6.1 暴露的問題

1)風(fēng)電場投產(chǎn)時，對風(fēng)機(jī)設(shè)備交接驗(yàn)收把關(guān)不嚴(yán)，技術(shù)監(jiān)控不到位，風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)與GPS對時，風(fēng)機(jī)PLC也沒有實(shí)現(xiàn)與風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的時間同步，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報警一覽表無法判斷風(fēng)機(jī)脫網(wǎng)的真實(shí)原因。

2)現(xiàn)場運(yùn)行維護(hù)人員技術(shù)技能欠缺，對事件應(yīng)急處置能力不足。

3)風(fēng)電場雖然配置了一期的無功補(bǔ)償裝置SVG和電容器?？梢酝队茫怯捎诠芾砗驼J(rèn)識不到位，沒有投用。二期無功補(bǔ)償裝置系統(tǒng)建設(shè)滯后，未隨二期風(fēng)場同時投入運(yùn)行，此當(dāng)并網(wǎng)運(yùn)行方式改變后也為及時投入無功補(bǔ)償裝置，反從電網(wǎng)側(cè)倒吸無功，導(dǎo)致機(jī)端電壓過低，加大了兩相間電流的差值，最終導(dǎo)致風(fēng)機(jī)大規(guī)模同時脫網(wǎng)。另外，此次風(fēng)電場并網(wǎng)方式改變后，風(fēng)電場并網(wǎng)電氣距離增長，雖然電網(wǎng)側(cè)110 kV電壓扔然控制在－3～+7%額定電壓的允許偏差范圍內(nèi)，但是風(fēng)電場再不投入無功補(bǔ)償裝置的情況下反從電網(wǎng)側(cè)倒吸無功，其風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓部分時段下降到－6～－9%額定電壓左右，在風(fēng)電機(jī)負(fù)荷不變的情況下，加大了兩相電流間的差值而達(dá)到脫網(wǎng)定值，導(dǎo)致了大量風(fēng)機(jī)同時脫網(wǎng)。

4)對風(fēng)機(jī)PLC系統(tǒng)電氣保護(hù)項(xiàng)目及定值設(shè)置不清楚。

風(fēng)機(jī)廠家內(nèi)部定值設(shè)定雜亂，調(diào)試過程中未發(fā)現(xiàn)，程序設(shè)定電流不平衡報警值為100A，但是一期故障延時2 s，二期故障延時是3 s，使得風(fēng)機(jī)電氣保護(hù)動作不一致。

5)運(yùn)行時，調(diào)度運(yùn)行方式改變后，必須注意電網(wǎng)某些特定區(qū)域允許較大三相電流不平衡情況的存在對風(fēng)機(jī)運(yùn)行影響。

6.2 整改措施

1)根據(jù)不同廠家變流器最大承受能力整定保護(hù)動作定值，電流不平衡度改為5%，計算不平衡電流動作定值以滿足電網(wǎng)要求，ABB變流器5%電流不平衡度對應(yīng)的電流最大差值為160 A。

2)加強(qiáng)風(fēng)電場投產(chǎn)調(diào)試把關(guān)工作，除了升壓站外，應(yīng)特別注意是風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)保護(hù)、變流器調(diào)試把關(guān)工作，特殊重要項(xiàng)目如GPS全廠時間同步、風(fēng)機(jī)保護(hù)試驗(yàn)、無功控制功能進(jìn)行專項(xiàng)驗(yàn)收。

3)升級風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)，完善主控系統(tǒng)故障網(wǎng)頁生成和故障分析能力，高度重視風(fēng)機(jī)和風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集、故障報文完善、風(fēng)機(jī)PLC主控時間與風(fēng)電場監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)GPS對時功能的完善，確保監(jiān)控系統(tǒng)滿足正常運(yùn)行信息和事故后的評估信息需求。

4)嚴(yán)格按照相關(guān)要求，加強(qiáng)電容器和SVG系統(tǒng)的管理，制定并完善無功補(bǔ)償裝置SVG的電容器的投運(yùn)現(xiàn)場運(yùn)行規(guī)程和SVG控制策略。正常情況下，SVG以“無功電壓控制模式”投入運(yùn)行，F(xiàn)C電容器組處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)SVG補(bǔ)償容量達(dá)到容性額定值時，母線電壓仍在下降時，投入FC電容器組;當(dāng)SVG補(bǔ)償容量大于感性4 Mvar時切除FC電容器組，確保風(fēng)電場能夠控制并網(wǎng)點(diǎn)電壓在額定電壓的97%～107%范圍內(nèi)，在電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)電壓不平衡度不超過2%，短時不超過4%的情況下風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行不得脫網(wǎng)。SVG控制策略方面，修改增加對背景電壓不平衡度的抑制功能，改善0.5%左右的電壓不平衡度，降低風(fēng)機(jī)長時間運(yùn)行和瞬時的機(jī)端電壓不平衡度，滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的要求。

5)加強(qiáng)運(yùn)維人員培訓(xùn)，熟悉風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)設(shè)置、風(fēng)機(jī)保護(hù)配置、無功控制、電網(wǎng)運(yùn)行等相關(guān)要求。

7 結(jié)束語

通過對省內(nèi)風(fēng)電場大規(guī)模脫網(wǎng)事件分析，介紹了風(fēng)電場風(fēng)機(jī)故障時原因查找的方法和過程，以及三相電流不平衡保護(hù)實(shí)現(xiàn)原理，提出了目前風(fēng)電場大規(guī)模建設(shè)暴露的一些問題及對策措施，提醒風(fēng)電場建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)單位應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)機(jī)投產(chǎn)驗(yàn)收把關(guān)和技術(shù)培訓(xùn)工作，從而提高風(fēng)電場整體運(yùn)行維護(hù)的水平，保證風(fēng)電場安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

［1］周喜超，鄭偉，劉峻，等.電網(wǎng)電流不對稱引起大規(guī)模風(fēng)機(jī)跳閘原因分析 ［J］.中國電力，2010，43(3):63－67.

［2］GB/T 15543－2008.電能質(zhì)量－三相電壓不平衡 ［S］.