查顯寶

（北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

110kV線路缺相故障對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行影響的分析

查顯寶

（北京國電思達(dá)科技有限公司，北京 100039）

隨著風(fēng)電的快速發(fā)展以及隨之出現(xiàn)的風(fēng)電“消納”問題，風(fēng)電對(duì)電網(wǎng)的影響得到了越來越多的關(guān)注。但電網(wǎng)的不穩(wěn)定性或故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響往往被忽視，而電網(wǎng)的不穩(wěn)定性或故障引起的破壞性影響卻是風(fēng)電機(jī)組安全運(yùn)行的重要隱患。本文通過對(duì)黑龍江某風(fēng)場(chǎng)發(fā)生的110kV線路缺相故障進(jìn)行了深入分析，針對(duì)故障造成的大量風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的損壞原因進(jìn)行了探討，以便通過具體的實(shí)例引起對(duì)風(fēng)場(chǎng)高壓側(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定性的重視。

缺相故障；故障錄波；瞬時(shí)尖峰電壓；器件燒毀

0 引言

隨著風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)及并網(wǎng)數(shù)量的快速增長，截至2012年年底，我國風(fēng)電發(fā)電量已約占全部電力消費(fèi)量的2%，風(fēng)電已經(jīng)成為繼火電、水電之后的第三大常規(guī)電力來源。同時(shí)，由于風(fēng)電占比的增加而導(dǎo)致的風(fēng)電消納問題也越來越受到重視，但關(guān)注的重點(diǎn)多集中在風(fēng)電消納問題對(duì)電網(wǎng)的負(fù)面影響。實(shí)際上，風(fēng)場(chǎng)每年因高壓送出線路或設(shè)備故障造成的風(fēng)電機(jī)組設(shè)備損壞事故頻繁發(fā)生，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。所以，為保證風(fēng)電設(shè)備的平穩(wěn)、安全運(yùn)行，應(yīng)高度重視電網(wǎng)的不穩(wěn)定性或故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組造成破壞性影響。

風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行環(huán)境往往條件惡劣，高溫發(fā)熱、油水臟污、灰塵以及交變的電磁干擾等都很常見，如果再疊加上風(fēng)能輸送線路的故障影響，很容易導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組電氣設(shè)備故障或損壞，甚至引起機(jī)械系統(tǒng)的連鎖故障反應(yīng)[2-3]。由于雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)（Doubly-fed Induction Generator，DFIG）定子直接連接電網(wǎng)且變流器容量較小，使其對(duì)電網(wǎng)故障非常敏感[4]。電網(wǎng)故障時(shí)，DFIG轉(zhuǎn)子中的感應(yīng)電流幅值可達(dá)額定電流的2-5倍[5]，若其兩端電壓過高或過電流導(dǎo)致溫度過高，都可能導(dǎo)致開關(guān)管超過耐受極限而擊穿或燒毀，有時(shí)甚至是永久性損壞；若轉(zhuǎn)子側(cè)變換器會(huì)因過電流而停止運(yùn)行，轉(zhuǎn)矩失衡會(huì)使轉(zhuǎn)速急劇上升而威脅機(jī)械結(jié)構(gòu)的安全。文中對(duì)黑龍江某風(fēng)場(chǎng)發(fā)生的110kV線路缺相故障進(jìn)行了分析，討論了故障期間電網(wǎng)側(cè)、風(fēng)場(chǎng)及機(jī)組側(cè)的演變過程，對(duì)故障造成的大量風(fēng)電機(jī)組設(shè)備損壞的原因進(jìn)行了總結(jié)，希望通過具體的實(shí)例引起對(duì)風(fēng)場(chǎng)高壓側(cè)電網(wǎng)穩(wěn)定性的重視。

1 案例項(xiàng)目背景

用于分析的故障案例來源于黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)。該風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量99MW，分兩期工程建設(shè)完成，每期工程各選用33臺(tái)1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組，全風(fēng)場(chǎng)共有6路35kV集電回路，所有風(fēng)電機(jī)組通過0.69/35kV升壓變分別接入6路35kV集電線路。該風(fēng)場(chǎng)建有110/35kV升壓站1座，站內(nèi)裝有2臺(tái)主變，35kV母線分成2段并列運(yùn)行，整個(gè)風(fēng)場(chǎng)通過1回110kV線路并入電網(wǎng)。風(fēng)場(chǎng)單線系統(tǒng)圖如圖1所示。

2 網(wǎng)側(cè)故障及其引起的雙饋風(fēng)電機(jī)組事故

風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中遭遇電網(wǎng)故障，功率無法送入電網(wǎng)或電壓畸變導(dǎo)致功率直流側(cè)和輸出側(cè)電壓升高或者不對(duì)稱、發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中由于負(fù)載突變產(chǎn)生過高的沖擊電流、發(fā)電機(jī)及傳輸電纜絕緣老化導(dǎo)致匝間或相間短路形成短路電流等，如最終超過元件的耐受限度，都會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組部件的損壞。下面以該風(fēng)電場(chǎng)在2013年2月1日所發(fā)生的一次電網(wǎng)電壓跌落故障為例，介紹高壓電網(wǎng)側(cè)故障對(duì)該風(fēng)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組的影響。9時(shí)56分，風(fēng)電場(chǎng)升壓站的110kV送出線路發(fā)生故障引起失壓。發(fā)生故障時(shí)，風(fēng)場(chǎng)的66臺(tái)風(fēng)電機(jī)組均處于運(yùn)行狀態(tài)，一期風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速為9.6m/s，主變低壓側(cè)有功負(fù)荷為39200kWh；二期風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速為10.3m/s，主變低壓側(cè)有功負(fù)荷為41200kWh。

故障所造成影響及損失如下：

（1）66臺(tái)風(fēng)電機(jī)組齒箱油泵電機(jī)空開、發(fā)電機(jī)風(fēng)扇空開、液壓站空開全部跳閘；

（2）燒壞8個(gè)變槳控制器PITCHMASTER；

（3）2個(gè)塔底屏損壞；

圖1 黑龍江某風(fēng)電場(chǎng)接線圖

（4）2個(gè)油泵電機(jī)損壞；

（5）2個(gè)變槳系統(tǒng)預(yù)充電電阻燒壞；

（6）5個(gè)發(fā)電機(jī)風(fēng)扇電機(jī)燒壞；

（7）4臺(tái)PLC CF卡程序紊亂；

（8）4臺(tái)變槳編碼器出現(xiàn)跑值；

（9）1個(gè)帕克液壓站葉輪剎車開電磁閥損壞；

（10）66臺(tái)主控PLC全部死機(jī)；

（11） 2個(gè)主控PLC損壞12個(gè)、一個(gè)PLC模塊bk3150損壞。

3 雙饋風(fēng)電機(jī)組事故原因分析

下面采用故障后分析方法，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)升壓站系統(tǒng)側(cè)的故障錄波裝置和風(fēng)電機(jī)組故障數(shù)據(jù)，全面分析故障過程中各系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程。除特殊說明外，以下所有電壓、電流量的數(shù)值均為系統(tǒng)二次側(cè)的測(cè)量值。

3.1 電網(wǎng)側(cè)故障過程分析

圖2列出了首次故障中110kV線路的故障錄波數(shù)據(jù)。C相電壓最低值出現(xiàn)在紅色縱線標(biāo)記的時(shí)刻，該風(fēng)電場(chǎng)發(fā)生首次網(wǎng)側(cè)故障時(shí)，110kV線路出現(xiàn)C相電壓缺失（4%Ue），如圖2中位于0時(shí)刻的母線3Uc信號(hào)所示。故障期間的C相電流為5A左右，故障持續(xù)65ms后，線路保護(hù)動(dòng)作跳開三相線路，如圖2中的綠色縱線所示。保護(hù)跳開時(shí)線路出現(xiàn)零序電流且大小等于C相電流（2A左右），說明當(dāng)時(shí)C相一直處于虛接狀態(tài)。故障300ms后電流降為0A，在此期間高于120%Ue電壓大約持續(xù)60ms。

圖2 首次故障時(shí)110kV線路的錄波圖

圖3 二次故障時(shí)110kV線路的錄波圖

首次故障發(fā)生53s后，110kV線路三相重合閘，C相再次出現(xiàn)失壓，約37%Ue，之后的錄波圖未顯示線路開關(guān)是否跳開，如圖3所示。C相電壓最低值出現(xiàn)在紅色縱線的時(shí)刻，二次故障之前80ms時(shí)刻開始出現(xiàn)C相電壓缺失，跌落至54%Ue，之后C相電壓開始逐漸升高，其中高于110%Ue的電壓持續(xù)45ms，高于150%Ue的電壓持續(xù)30ms，且瞬時(shí)值達(dá)到200%Ue。從故障前18ms到故障時(shí)刻電壓持續(xù)走低，電壓最低點(diǎn)為40% Ue。三相開關(guān)于9時(shí)58分合閘，如綠色縱線標(biāo)記的時(shí)刻，其中A、B相開關(guān)順利閉合，但C相開關(guān)由于永久性故障此時(shí)已經(jīng)無法再次閉合，且線路中出現(xiàn)零序電流。故障后150ms三相電壓有效值恢復(fù)到正常，但C相電壓波形受故障影響而嚴(yán)重畸變，畸變一直持續(xù)到9時(shí)59分。在此期間，C相電壓瞬間最高電壓達(dá)到117%Ue。二次故障過程中35kV側(cè)的錄波情況如圖4所示。

3.2 風(fēng)電場(chǎng)及風(fēng)電機(jī)組側(cè)故障過程分析

系統(tǒng)首次故障（9時(shí)56分左右）主要體現(xiàn)為系統(tǒng)110kV 線路C相電壓低，該故障經(jīng)過風(fēng)電場(chǎng)主變及風(fēng)電機(jī)組箱變兩級(jí)相角轉(zhuǎn)換后，轉(zhuǎn)換為風(fēng)電機(jī)組側(cè)的B相故障，從表1中的風(fēng)電機(jī)組主控故障數(shù)據(jù)看出，故障時(shí)B相電壓跌落至52.8V，約13%Ue。

圖4 二次故障時(shí)35kV線路的錄波圖

表1 風(fēng)電機(jī)組主控PLC故障采樣數(shù)據(jù)

圖5 風(fēng)電機(jī)組故障FTP記錄文件截屏

圖6 三相重合后現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組側(cè)故障記錄波形

改變電機(jī)的定轉(zhuǎn)子電阻、電感是抑制在電網(wǎng)故障條件對(duì)風(fēng)電機(jī)組沖擊危害的有效方法。因此，在發(fā)生電網(wǎng)故障時(shí)，雙饋發(fā)電機(jī)一般通過控制變流器抑制由于電壓跌落引起的瞬態(tài)沖擊，以及由此引起的轉(zhuǎn)矩失衡、轉(zhuǎn)速上升，并在直流電壓超過設(shè)定值時(shí)投入轉(zhuǎn)子Crowbar電路效抑制暫態(tài)故障電流的大部分交流分量，保證機(jī)組不脫網(wǎng)運(yùn)行。下面通過查看風(fēng)電機(jī)組故障記錄檢查該風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)電機(jī)組在故障過程中是否檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)故障并正確動(dòng)作。風(fēng)電機(jī)組故障記錄以日志文件形式存儲(chǔ)于FTP服務(wù)器，圖5為線路缺相故障期間，記錄風(fēng)電機(jī)組故障的FTP文件的內(nèi)容截屏，可以看出變流器檢測(cè)到系統(tǒng)電壓低并向主控發(fā)出低穿信號(hào)，包括：變流器故障（error_converter_status）、變流器報(bào)警（warning_converter_ status）、變流器轉(zhuǎn)矩降低（warning_converter_torque_reduction）、變流器低壓穿越報(bào)警（warning_converter_low_voltage_for_ride_ through）。同時(shí)，主控控制風(fēng)電機(jī)組執(zhí)行停機(jī)過程，發(fā)出的信號(hào)包括變流器切出（error_converter_tripped）和變流器停止運(yùn)行（error_converter_rdyon）。圖5中其他的開關(guān)信號(hào)未報(bào)情況異常。

風(fēng)電機(jī)組故障記錄文件的內(nèi)容說明，風(fēng)電機(jī)組在低穿過程中均正確動(dòng)作，保證了變流器部件在高壓側(cè)故障期間的電氣安全，不存在因誤動(dòng)作或漏動(dòng)作造成其他器件燒毀的可能。

首次故障53s后110kV線路三相重合，在9時(shí)57分左右電壓出現(xiàn)高值，系統(tǒng)側(cè)最高電壓瞬時(shí)達(dá)到200%Ue，而從現(xiàn)場(chǎng)提取的風(fēng)電機(jī)組側(cè)故障數(shù)據(jù)顯示，B相的電壓在重合閘后瞬間升高到為450V，約為1.13倍的Ue，如圖6所示。

由于升壓站系統(tǒng)側(cè)的故障錄波裝置和風(fēng)電機(jī)組監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間不同步，所以圖中顯示的故障發(fā)生時(shí)間是在9時(shí)47分。從圖6中看出，故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組側(cè)感受到的沖擊電壓值遠(yuǎn)高于主控的采樣數(shù)據(jù)，其主要原因是主控的采樣頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于系統(tǒng)側(cè)故障錄波器。電壓升高的主要原因是不對(duì)稱引起的電壓嚴(yán)重畸變導(dǎo)致出現(xiàn)瞬時(shí)尖峰電壓，幅值高150%Ue，并且持續(xù)30ms，瞬時(shí)電壓峰值達(dá)到200%Ue，這也是導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組大量電氣元器件損壞的原因。此次電壓沖擊后系統(tǒng)再未出現(xiàn)高電壓，最高瞬時(shí)電壓僅為117% Ue，且時(shí)間較短，在這種電壓下可能也會(huì)對(duì)風(fēng)電機(jī)組電氣元件產(chǎn)生一定影響，但不是造成大量電氣元件燒毀的主要原因。

4 結(jié)論

綜合近年來全國各地多數(shù)風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行情況，風(fēng)場(chǎng)高壓送出線路發(fā)生缺相、接地、短路等故障時(shí)有發(fā)生，其中主要原因有以下幾方面：

（1）與我國風(fēng)電場(chǎng)選址在電網(wǎng)中的位置有關(guān)，風(fēng)場(chǎng)一般都位于電網(wǎng)較為薄弱、保護(hù)配置較低的地方；

（2）很多風(fēng)場(chǎng)位于丘陵、山區(qū)，并且該類區(qū)域風(fēng)力較大，容易發(fā)生電網(wǎng)側(cè)架空線路故障；

（3）有些風(fēng)場(chǎng)建設(shè)期不合理，存在趕工現(xiàn)象，忽視了工程質(zhì)量；

（4）部分電力線路設(shè)計(jì)單位缺少風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)特殊條件考慮不周。

電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障后，多數(shù)會(huì)對(duì)風(fēng)場(chǎng)電氣設(shè)備造成非常大的破壞，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失，為了避免或減少此類事故的發(fā)生，建議加強(qiáng)以下幾方面的工作：

（1）加強(qiáng)對(duì)風(fēng)場(chǎng)送出線路設(shè)計(jì)、施工、安裝及產(chǎn)品質(zhì)量的全面監(jiān)管；

（2）針對(duì)自然環(huán)境條件惡劣地區(qū)，應(yīng)增加線路巡檢頻次；

（3）總升壓站必須裝設(shè)并保證故障錄波數(shù)據(jù)正常，以便事故分析和后評(píng)估；

（4）加強(qiáng)總升壓站內(nèi)電氣設(shè)備的運(yùn)維和監(jiān)控；

（5）風(fēng)電機(jī)組設(shè)備廠家應(yīng)針對(duì)風(fēng)電的特殊性，提高主要電氣元器件的電網(wǎng)適應(yīng)性，風(fēng)電機(jī)組從設(shè)計(jì)之初應(yīng)綜合考慮其整體的電壓承受能力，尤其是承受電壓畸變所導(dǎo)致的短時(shí)尖峰電壓。

總之，一方面需要加強(qiáng)預(yù)防性管理，另一方面要加強(qiáng)設(shè)備的電網(wǎng)適應(yīng)能力。只有充分認(rèn)識(shí)電網(wǎng)故障的危害性，才能將電網(wǎng)故障對(duì)風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的破壞性影響和損失降到最低。

[1] 代賢中, 石一輝, 魯宗相, 等. 大規(guī)模風(fēng)電接入對(duì)江蘇電網(wǎng)安全穩(wěn)定性的影響[J]. 中國電力, 2011, 44(6): 42-47．

[2] 蔡幟, 劉建政, 梅紅明, 等. 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在電網(wǎng)電壓小幅驟降時(shí)的保護(hù)策略[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2009, 37(21): 41-44．

[3] 蘇傲雪, 范明天, 李仲來, 劉 偉. 計(jì)及風(fēng)力發(fā)電影響的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J]. 2013, 41(1): 90-96.

[4] 錢艷平, 朱立貴.電源不對(duì)稱對(duì)雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)故障診斷的影響[J]. 可再生能源, 2012, 30(11): 36-41.

[5] 孟巖峰, 胡書舉, 王玲玲, 許洪華. 電網(wǎng)故障條件下雙饋機(jī)組運(yùn)行特性分析及其協(xié)調(diào)控制[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2013, 41(8): 107-114.

Analysis of Impact on Doubly-fed Induction Generators Caused by Failures of 110kV Transmission Line

Zha Xianbao
(Beijing Guodian Star Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

With the rapid development of wind energy and the subsequent energy consumption issue, the impacts of wind power on the grid are concentrated more, but the effects caused by grid instability and failures of the wind turbines, which are actually potential hazards to the generator's operation, are often ignored. By analyzing an stator phase failure on a 110kV transmission line occurred in a wind farm of Heilongjiang, wind turbine damages caused by the grid failure are depicted and analyzed in order to draw attention to the stability of the high voltage grid connected with a wind farm.

stator phase failure; fault recording; transient peak voltage; device burnout

TM614

A

1674-9219(2013)08-0080-07

2013-06-20。

查顯寶（1972-），男，本科，工程師，長期從事風(fēng)電運(yùn)維技術(shù)研究工作。