可變速水輪發電機組低電壓穿越的研究

高 超，于曉慧

（1. 哈電發電設備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱東安機電制造有限責任公司，哈爾濱 150066）

前言

新疆人民電站3號機組為6.5MW可變速水輪發電機組，此機組為目前國內首臺可變速水輪發電機組。自2010年4月投入運行后，機組出現多次甩負荷故障。經過一段時間的實地觀察和分析，發現每次機組甩負荷時交流勵磁裝置都會報轉子側過流和直流母線過壓故障，并發現中央監控系統的故障列表順序是先轉子側過流，后并網斷路器跳閘。由此推斷為電網電壓跌落造成雙饋發電機轉子過流，進而引起交流勵磁裝置轉子側過流和直流母線過壓，最后造成機組甩負荷故障。3號機組示意圖如圖1所示。

1 人民電站電網質量測試

1.1 電網電壓有效值實時監測

為了進一步驗證非正常甩負荷是由電網電壓跌落造成的，實地測試人民電站電網質量。測試時間共計66小時 42分（2011年 04月 28日 15：10：46～2011年05月01日09：52：30），在測試期間交流勵磁裝置共發生4次帶載脫網現象，其中兩次為系統脫網后，并網后加載過程中再次發生帶載脫網，發生脫網時刻分別為2011年4月30日00：31：02，00：51：54，15：02：31，15：17：29。圖 2為部分監測波形，由監測波形可知：電網電壓存在頻繁性突變和跌落現象，并且電網電壓跌落后，機組隨即發生甩負荷故障，可以確切證實是電網電壓跌落造成機組出現非正常甩負荷故障。

圖1 可變速機組示意圖

1.2 電網電壓跌落分析

圖2 電網電壓實時監測圖

2011年4月30日15：02：31電壓跌落電網三相電壓分別由 659.3V、662.5V、669.0V 瞬間跌落至575.0V、478.5V、478.5VD跌落持續時間為80ms。2011年4月30日15：17：29電壓跌落電網電壓分別由623.3V、622.4V、629.1V以 75V/s的速度遞減至556.9V，557.0V、563.7V、持續時間為390ms。

1.3 通過對波形的分析得出結論

表1 電網質量的測試數據

2 3號機組非正常甩負荷故障分析及解決方案

2.1 3號機組非正常甩負荷故障分析

在電網電壓跌落情況下，可變速機組中的雙饋發電機會導致轉子側過流，同時轉子側電流的迅速增加會導致轉子交流勵磁裝置直流母線電壓升高，引起發電機交流勵磁裝置過電流和過電壓保護，導致發電機與電網解列。這是因為雙饋發電機在電網電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而定子磁鏈會產生直流分量和負序分量，定子磁鏈幾乎保持靜止，而轉子磁鏈繼續旋轉，會產生較大的滑差，這樣便會引起轉子繞組的過壓、過流。因而進入轉子保護狀態是正確的，否則將會把發電機轉子燒毀。

2.2 3號機組非正常甩負荷故障解決方案

根據以上3號機組甩負荷故障分析，雙饋發電機定子磁鏈的直流分量和負序分量決定了在甩負荷故障期間轉子產生的反電動勢。通過對反電動勢的限制來限制轉子電流，主要思路如下：（1）利用轉子電壓來減弱定子磁鏈中的直流和負序分量的作用；（2）對轉子電流進行定向，使得轉子電流能夠抵消轉子磁鏈中一部分直流和負序分量。以上是改進控制策略減弱直流分量和負序分量的暫態響應。能量守恒角度分析，電網發生低電壓穿越故障時，發電機端電壓比正常工況低，意味著系統無法正常向電網輸送電能。同時，由于機組的慣性很大，導水機構在很短時間內能調節的范圍有限，于是捕獲的水能將有一部分過剩，單純靠控制策略的改進將很難實現低電壓穿越，需增加硬件輔助電路，即Crowbar電路。根據精確的雙饋發電機和交流勵磁裝置的仿真模型，輸入準確的發電機以及交流勵磁裝置參數，改進限制轉子反電動勢的控制策略，增加Crowbar電路，進行仿真計算, 仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型框圖

3 仿真分析

以下為極限工況的仿真波形，分別為三相電網相電壓和三相饋入電網相電流。工況：滿載，三相電壓跌落至20%。

圖4 故障穿越測試波形

圖4是電壓跌落到 20%左右，持續時間大概為625ms的三相電網故障。在發生故障以后，由于電網的瞬間跌落產生了最大峰值沖擊電流未達到 3000A，在IGBT以及Crowbar模塊承受范圍之內。該電流在維持了一個波頭后迅速衰減，在經過大概100ms以后衰減到零，系統會根據電網電壓的大小進行無功電流支撐，其大小等于電網電壓跌落幅度的兩倍，即Ireact= 2×ΔU×IN，其中ΔU為電壓跌落幅度百分比，IN為系統額定電流。無功電流輸出最大為100%IN，而有功電流則輸出為0。而在此次電網跌落中，由于電網跌落程度較深，無功電流輸出達到了100%IN。在電網故障恢復以后，系統輸出電流迅速減到 0，在經歷了500ms后，系統重新向電網輸入有功功率，并且達到跌落前的水平。說明系統成功進行了低電壓穿越，沒有出現脫網故障。

4 結論

本文針對新疆人民電站3號機組的頻繁甩負荷故障進行了分析和現場電網質量實測，得出甩負荷故障是由電網電壓大幅跌落引起的結論。并對電網電壓跌落引起雙饋發電機轉子過流的過程進行了詳細的理論分析，提出的限制轉子反電動勢的控制策略和增加Crowbar電路的解決方案。根據仿真結果，在電網電壓跌落到額定電壓20%左右、持續時間大概為625ms的工況下，系統都能成功地進行低壓穿越；對人民電站電網電壓的跌落到額定電壓 80%左右、持續時間為390ms的工況，系統是完全可以實現低電壓穿越，并且完全滿足國標的低壓穿越要求。

[1]JAUCH C, MATEVOSYAN J, ACKERMANN T, et al. International comparison of requirements for connection of wind turbines to power system[J].Wind Energy, 2005, 8(3): 295-306.

[2]胡家兵, 孫丹, 賀益康. 電網電壓驟降故障下雙饋風力發電機建模與控制[J]. 電力系統自動化,2006, 30(8): 21-26.

[3]向大為, 楊順昌, 冉立. 電網對稱故障時雙饋感應發電機不脫網運行的勵磁控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(3): 164-170.

[4]張學廣, 徐殿國. 電網對稱故障下基于 active crowbar雙饋發電機控制[J]. 電機與控制學報,2009, 13(1): 99-103.

[5]李建林, 許洪華. 風力發電系統低電壓運行技術[M]. 北京: 機械工業出版社, 2008.

[6]風電場接入電網技術規定[S]. Q/GDW 392-2009．