發(fā)電機(jī)故障引起的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越研究

陳昆明

上海電氣風(fēng)電集團(tuán)有限公司 上海 200241

為使電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，要求接入的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組具備低電壓穿越功能，即要求當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落，且跌落一定范圍內(nèi)時(shí)，風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。因此，風(fēng)機(jī)需要增加一系列軟硬件以實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能。

如圖1所示，風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)位于風(fēng)電場(chǎng)升壓站高壓側(cè)母線或節(jié)點(diǎn)，并非單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)。由于風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)短路容量遠(yuǎn)大于單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)短路容量，風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落必然會(huì)引起單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落。但是，單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落不一定會(huì)引起風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)同比例電壓跌落。風(fēng)機(jī)變流器電網(wǎng)電壓檢測(cè)點(diǎn)位于單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)，該點(diǎn)電壓跌落可能由電網(wǎng)線路(風(fēng)場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)及前級(jí)高壓電網(wǎng))短路引起，也可能由風(fēng)機(jī)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路引起。由于變流器只能檢測(cè)單臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓，因此，即使有電壓跌落也無(wú)法判斷是電網(wǎng)線路短路還是發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路。如果電壓跌落由發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路引起，變流器仍因低電壓穿越功能不脫網(wǎng)控制，會(huì)引起機(jī)組重大事故，甚至起火，損失將相當(dāng)嚴(yán)重。

基于風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行案例，依據(jù)低電壓穿越相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比電網(wǎng)故障和發(fā)電機(jī)故障兩種情況引起電壓跌落時(shí)變流器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，研究提出針對(duì)由發(fā)電機(jī)故障引起的低電壓穿越機(jī)組保護(hù)功能，進(jìn)而優(yōu)化機(jī)組安全控制策略。

圖1 風(fēng)機(jī)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1 低電壓穿越的標(biāo)準(zhǔn)要求

1.1 Q/GDW 392—2009[1]

風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組在并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌至20%Un(額定電壓)時(shí)，能夠保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行625ms。風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓在發(fā)生跌落后2s內(nèi)能恢復(fù)到90%Un，進(jìn)而保證風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

對(duì)于電網(wǎng)發(fā)生不同類型故障的情況，風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越的要求如下： 當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生三相短路故障、兩相短路故障、單相短路故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，若風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)各線電壓在圖2中電壓輪廓線及以上的區(qū)域內(nèi)，則風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組必須保證不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行；若風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)任意一線電壓低于或部分低于圖2中電壓輪廓線，則風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組允許從電網(wǎng)中切出。

圖2 風(fēng)電場(chǎng)低電壓穿越要求

對(duì)電網(wǎng)故障期間沒(méi)有切出電網(wǎng)的風(fēng)電場(chǎng)，其有功功率在故障消除后應(yīng)盡快恢復(fù)，以不小于每秒10%Pn(額定功率)的速率恢復(fù)至故障前的值。

1.2 GB/T 19963—2011[2]

GB/T 19963—2011在Q/GDW 392—2009低電壓穿越要求的基礎(chǔ)上，增加了動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力要求。對(duì)于總裝機(jī)容量在1GW以上的風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)風(fēng)電機(jī)組，在低電壓穿越過(guò)程中變流器應(yīng)具有下列動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐能力： 電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落，當(dāng)風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓處于(20%～90%)Un區(qū)間內(nèi)時(shí)，變流器通過(guò)注入無(wú)功電流支撐電壓恢復(fù)；自電壓跌落出現(xiàn)的時(shí)刻起，該動(dòng)態(tài)無(wú)功電流控制的響應(yīng)時(shí)間不長(zhǎng)于75ms，并能持續(xù)550ms。

變流器注入電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功電流為： 1.5×(0.9-UT)In，其中In為風(fēng)電場(chǎng)的額定電流，UT為故障期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓標(biāo)幺值，且0.2≤UT≤0.9。

由此可見(jiàn)，低電壓穿越功能不僅要求電壓跌落時(shí)風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行，同時(shí)在穿越期間要提供無(wú)功支持，幫助恢復(fù)電網(wǎng)電壓。

2 風(fēng)機(jī)低電壓穿越功能的實(shí)現(xiàn)

風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能，首先要重點(diǎn)解決低電壓檢測(cè)問(wèn)題，快速有效檢測(cè)低電壓事件是風(fēng)機(jī)能夠完成低電壓穿越的先導(dǎo)條件。在風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)后，主要由變流器和主控系統(tǒng)兩個(gè)關(guān)鍵部件主導(dǎo)控制，使機(jī)組無(wú)故障不脫網(wǎng)，并按GB/T 19963—2011要求實(shí)現(xiàn)低電壓穿越。

2.1 低電壓檢測(cè)方法

電網(wǎng)電壓檢測(cè)有多種方法[3]，針對(duì)存在不平衡電壓跌落的風(fēng)機(jī)，一般采用三相電壓dq分解法，將采集的a、b、c三相電壓變換到dq軸表達(dá)式：

[ud,uq]=C[ua,ub,uc]T

(1)

三相靜止坐標(biāo)系到兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的變換矩陣為：

(2)

式中： sin(ωt)和cos(ωt)為與變換前a相電壓同相位的正余弦信號(hào)；ω為a相電壓角頻率。

將對(duì)稱的三相電網(wǎng)電壓表示為：

(3)

式中：U為線電壓有效值。

經(jīng)過(guò)dq變換后的電壓為：

(4)

三相對(duì)稱電壓在旋轉(zhuǎn)dq軸系下，d軸電壓變化可以判斷電網(wǎng)電壓是否跌落；當(dāng)出現(xiàn)不平衡跌落時(shí)，q軸分量不再為0，通過(guò)q軸變化可以判斷不平衡跌落程度。

2.2 主控系統(tǒng)控制策略

主控系統(tǒng)與變流器配合，共同完成機(jī)組低電壓穿越。當(dāng)變流器檢測(cè)到低電壓時(shí)，會(huì)進(jìn)入低電壓穿越控制模式，同時(shí)將低電壓穿越信號(hào)傳輸至主控系統(tǒng)。主控系統(tǒng)也會(huì)對(duì)電壓進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)檢測(cè)到低電壓或收到變流器信號(hào)后，同樣進(jìn)入低電壓穿越控制模式。

主控系統(tǒng)需要按圖2所示曲線設(shè)置低電壓穿越保護(hù)，并適當(dāng)留有2%的裕度。當(dāng)檢測(cè)到低電壓后，主控系統(tǒng)進(jìn)入低電壓穿越控制模式，如果電壓跌落在圖2所示低電壓穿越范圍內(nèi)，控制機(jī)組進(jìn)行低電壓穿越，一旦超出范圍，則將對(duì)故障報(bào)警并停機(jī)。主控系統(tǒng)在低電壓穿越控制模式下，不僅要完成一定角度的收槳，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免功率降低后的機(jī)組超速，而且要臨時(shí)禁止風(fēng)機(jī)的偏航電動(dòng)機(jī)、冷卻水泵、冷卻風(fēng)扇電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑電動(dòng)機(jī)等非變頻控制設(shè)備工作，避免低電壓穿越期間運(yùn)行過(guò)流。在低電壓穿越電網(wǎng)電壓恢復(fù)期間，主控系統(tǒng)也要以不低于每秒10%Pn的速率恢復(fù)機(jī)組有功功率，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率平穩(wěn)過(guò)渡。

2.3 變流器控制策略

變流器控制發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)低電壓穿越功能。并網(wǎng)期間，一旦發(fā)生電壓跌落，會(huì)瞬時(shí)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流驟升且產(chǎn)生振蕩，變流器不僅要在軟件算法上進(jìn)行電流抑制控制，也需要通過(guò)硬件泄放電路完成能量釋放，以保護(hù)絕緣柵雙極晶體管等功率器件及發(fā)電機(jī)[4]。硬件泄放電路主要包括直流母線泄放電路和轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路。變流器不僅需要增加直流母線泄放電路模塊和轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路模塊，而且需要增加電流監(jiān)測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、不間斷電源等，用于低電壓穿越期間直流側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)的大電流泄放，穩(wěn)定直流母線電壓。

變流器直流母線泄放電路模塊、轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路模塊控制流程如圖3、圖4所示[5-6]。

圖3 直流母線泄放電路控制流程圖

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路控制流程圖

2.4 電網(wǎng)故障低電壓穿越過(guò)程

風(fēng)機(jī)滿功率并網(wǎng)發(fā)電期間發(fā)生三相至20%Un的電壓跌落是低電壓穿越中最嚴(yán)酷的運(yùn)行工況,也是考驗(yàn)變流器控制和算法的典型故障，圖5～圖7所示為變流器低電壓穿越期間典型運(yùn)行數(shù)據(jù)。

圖5 低電壓穿越期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形

圖6 低電壓穿越期間發(fā)電機(jī)定子電流波形

圖7 低電壓穿越期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流波形

由圖5～圖7可以看出，突然發(fā)生電壓跌落會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流瞬時(shí)突變，這是機(jī)組控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)不能突變所致。定轉(zhuǎn)子大電流如果不能立即抑制，會(huì)引起發(fā)電機(jī)和變流器過(guò)電流，導(dǎo)致變流器中功率器件因過(guò)電流而損壞。因此，在低電壓開(kāi)始瞬時(shí)，變流器需要立即停止機(jī)側(cè)的勵(lì)磁調(diào)制，并按圖3、圖4所示控制流程啟動(dòng)直流母線泄放電路和轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路抑制過(guò)電流。轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路一般投切時(shí)間在 20～30ms之間，然后迅速退出。直流母線泄放電路根據(jù)直流母線電壓波動(dòng)情況可能有多次投切。一旦轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路投切退出，變流器就可以進(jìn)行轉(zhuǎn)子控制，進(jìn)而重新進(jìn)行發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制，穩(wěn)定電流后立即進(jìn)入發(fā)無(wú)功模式。

根據(jù)GB/T 19963—2011要求，從低電壓穿越開(kāi)始至變流器重新獲得發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制的時(shí)間不應(yīng)長(zhǎng)于 55ms，并需要在一個(gè)電壓周期內(nèi)完成無(wú)功支持，即低電壓穿越期間無(wú)功響應(yīng)時(shí)間不長(zhǎng)于 75ms。低電壓穿越開(kāi)始75ms后，變流器進(jìn)入低電壓控制的穩(wěn)態(tài)期。低電壓開(kāi)始625ms后，電壓由20%Un逐漸向Un恢復(fù)，由于電壓變化，變流器控制又進(jìn)入不穩(wěn)定期。如果電壓恢復(fù)較快，有可能定子電流和轉(zhuǎn)子電流再次產(chǎn)生沖擊電流，重新啟動(dòng)直流母線泄放電路和轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路。由圖5～圖7所示波形可見(jiàn)，由于電壓恢復(fù)平緩，并未引起直流母線泄放電路和轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路再次啟動(dòng)。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓恢復(fù)至Un時(shí)，風(fēng)機(jī)以至少每秒10%Pn的速率恢復(fù)功率控制。由圖6可以看出，發(fā)電機(jī)定子電流逐漸增大，機(jī)組完成一次低電壓穿越過(guò)程。

3 發(fā)電機(jī)短路低電壓穿越案例研究

3.1 案例分析

圖8為某風(fēng)電場(chǎng)一臺(tái)風(fēng)機(jī)在發(fā)電機(jī)故障后的拆解圖，其內(nèi)部燒毀嚴(yán)重，事故原因?yàn)槎ㄗ訜o(wú)緯帶散開(kāi)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子掃膛，定子繞組相對(duì)地嚴(yán)重短路，短路電流未能及時(shí)分?jǐn)唷?/p>

由圖9可以看出，短路電流在定子阻抗上產(chǎn)生很大壓降，并引發(fā)機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落。A相電壓跌至660V,為68%Un，低于90%Un，從而機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越模式。由于在低電壓穿越控制模式下變流器不脫網(wǎng)運(yùn)行，導(dǎo)致短路故障持續(xù)了近 600ms，電網(wǎng)電流最高達(dá)到7488A，如圖10所示標(biāo)記位置。發(fā)電機(jī)定子電流同樣能反映過(guò)電流情況，如圖11所示，定子嚴(yán)重過(guò)電流導(dǎo)致變流器電流測(cè)量值溢出，顯示到測(cè)量范圍的最大值(2556A)。由于風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越控制模式，轉(zhuǎn)子側(cè)泄放電路達(dá)到觸發(fā)條件投入，轉(zhuǎn)子側(cè)封鎖脈沖，形成如圖12所示的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流波形。圖13為故障時(shí)刻主控系統(tǒng)日志，從中可以看出機(jī)組誤以為電網(wǎng)故障引起低電壓穿越。該故障最終因變流器并網(wǎng)斷路器過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作而跳閘，但是已經(jīng)引起發(fā)電機(jī)內(nèi)部嚴(yán)重?zé)龤?。由于該機(jī)組變流器未對(duì)發(fā)電機(jī)短路引起的低電壓穿越進(jìn)行有效識(shí)別，而是繼續(xù)以低電壓穿越方式運(yùn)行，使故障損失嚴(yán)重?cái)U(kuò)大，發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組損毀嚴(yán)重。

圖8 發(fā)電機(jī)故障情況

圖9 故障案例低電壓穿越期間并網(wǎng)點(diǎn)電壓波形

圖10 主控系統(tǒng)故障記錄截圖

圖11 故障案例低電壓穿越期間發(fā)電機(jī)定子電流波形

圖12 故障案例低電壓穿越期間發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流波形

圖13 主控系統(tǒng)故障日志

3.2 低電壓穿越優(yōu)化

通過(guò)以上案例可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子對(duì)地嚴(yán)重短路故障時(shí)，會(huì)引起發(fā)電機(jī)電壓一定程度跌落，跌落深度超過(guò)10%Un，引起風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)和變流器檢測(cè)到低電壓從而進(jìn)入低電壓穿越控制模式。由于低電壓穿越期間要求風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障進(jìn)一步擴(kuò)大，加重事故。因此需要研究發(fā)電機(jī)定子對(duì)地短路故障時(shí)，如何避免機(jī)組因低電壓穿越功能投入而不能及時(shí)有效脫網(wǎng)保護(hù)的方案[7-9]。

如圖14所示，對(duì)d1、d2兩種短路方式進(jìn)行分析，其中d1為風(fēng)場(chǎng)35kV并網(wǎng)點(diǎn)對(duì)地短路，d2為發(fā)電機(jī)定子對(duì)地短路。由于短路位置分別位于變流器電壓電流測(cè)量點(diǎn)兩側(cè)，當(dāng)d1點(diǎn)短路時(shí)，變流器監(jiān)測(cè)點(diǎn)不會(huì)檢測(cè)到零序電流，而在d2點(diǎn)短路時(shí)，變流器能夠及時(shí)檢測(cè)到零序電流。

圖14 不同短路點(diǎn)短路電流路徑

目前針對(duì)定子側(cè)電流檢測(cè)通常變流器只配置兩相電流互感器，鑒于以上問(wèn)題，需要增加定子三相電流互感器，用以檢測(cè)零序電流，進(jìn)而有效識(shí)別因發(fā)電機(jī)故障引起的低電壓穿越，并及時(shí)脫網(wǎng)保護(hù)，避免機(jī)組事故擴(kuò)大。

發(fā)電機(jī)定子繞組為△/Y接線，中性點(diǎn)不接地，其定子電流可表示為：

ia+ib+ic+in=0

(5)

i0=-(ia+ib+ic)

(6)

式中：ia、ib、ic為發(fā)電機(jī)定子三相電流瞬時(shí)值；i0為發(fā)電機(jī)定子零序電流。

當(dāng)發(fā)生對(duì)地短路時(shí)，|i0|>0，|i0|大于一定閾值后，變流器就會(huì)發(fā)出定子電流不平衡故障報(bào)警。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，這一閾值設(shè)置為80A。

變流器根據(jù)以上方案從硬件上增加一相定子電流互感器，并在低電壓穿越軟件功能包中增加零序電流檢測(cè)和判斷功能，這樣可以有效避免故障損失。這一措施已批量應(yīng)用至風(fēng)場(chǎng)中。

4 結(jié)束語(yǔ)

在發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路引起電壓跌落情況下進(jìn)入低電壓穿越控制模式運(yùn)行會(huì)嚴(yán)重?fù)p害機(jī)組，擴(kuò)大事故?；诳刂撇呗缘难芯?，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路引起風(fēng)機(jī)進(jìn)入低電壓穿越控制模式時(shí)，風(fēng)機(jī)應(yīng)及時(shí)檢測(cè)識(shí)別并實(shí)現(xiàn)設(shè)備脫網(wǎng)，而不是繼續(xù)執(zhí)行低電壓穿越功能。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組屬于分布式發(fā)電設(shè)備，單機(jī)容量相比大電網(wǎng)容量微乎其微，且發(fā)電機(jī)短路故障發(fā)生概率較低，因此機(jī)組保護(hù)脫網(wǎng)不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生不利影響。

目前中國(guó)電力科學(xué)院已經(jīng)完成了市場(chǎng)上主流風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能測(cè)試認(rèn)證，測(cè)試條件均為發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，并未考慮發(fā)電機(jī)故障引起低電壓穿越的情況[10]，本文研究尚屬首例。

本文研究基于風(fēng)電場(chǎng)故障案例，從低電壓穿越標(biāo)準(zhǔn)要求和變流器低電壓穿越原理出發(fā)，研究故障原因，并提出有效解決方案，對(duì)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)和風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行具有應(yīng)用價(jià)值。

[1] 風(fēng)電場(chǎng)接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定： Q/GDW 392—2009[S].

[2] 風(fēng)電場(chǎng)接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定： GB/T 19963—2011[S].

[3] 胡書舉,李建林，李梅.風(fēng)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)LVRT的電網(wǎng)電壓跌落檢測(cè)方法[J].大功率變流器技術(shù),2008(6)： 17-21.

[4] 李春，尹正兵，張魯華.全功率風(fēng)力發(fā)電變流器的直流母線電壓優(yōu)化控制[J].上海電氣技術(shù)，2014，7(4)： 26-30.

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