摘 要:該文對華能寧武東馬坊風(fēng)電場自2013年7月以來的幾次風(fēng)機故障停機事故進行研究,通過理論分析和仿真計算得到電網(wǎng)側(cè)17次和19次諧波含量高是造成此類停機事故的根本原因,并提出解決此類問題的策略。
關(guān)鍵詞:東馬坊風(fēng)電場 風(fēng)機故障 諧波
中圖分類號:TM6文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)05(c)-0027-01
華能寧武東馬坊風(fēng)電場地處山區(qū),建有華銳1.5 MW(主控制系統(tǒng):Bachmann,變槳系統(tǒng):KEB,發(fā)電機變頻器:美國超導(dǎo)PM3000 W)風(fēng)電機組66臺,總裝機容量達99 MW。
2013年7月,風(fēng)機故障停機總計8臺次,累計損失備件350A保險14個,125A保險12個,1歐濾波電阻15個;累計故障停機時間6.5 h;累計損失電量0.048萬 kWh。2013年10月,該風(fēng)電場先后多次出現(xiàn)濾波電阻燒毀導(dǎo)致大面積風(fēng)機故障停機事故,損失慘重。
該文將分析東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機事故的原因,并根據(jù)風(fēng)電場的實際情況,提出解決此問題的策略。
1 風(fēng)機故障停機原因分析
通過分析風(fēng)機故障停機時故障錄器記錄的110 kV和35 kV電壓波形、諧波頻譜以及1#主變110 kV側(cè)和35 kV側(cè)電流波形、諧波頻譜,以上波形均存在畸變的問題,特別是17、19次諧波含量較高。初步猜想風(fēng)電場故障和電網(wǎng)側(cè)注入諧波含量高有關(guān)。
分析電能質(zhì)量監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)可知,雖然風(fēng)機正常運行時電網(wǎng)側(cè)也有17和19次諧波注入風(fēng)電場,但是含量較低;風(fēng)機故障時刻電網(wǎng)向風(fēng)電場注入大量的17和19次諧波,因此得知東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機事故的主要原因是電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波。
由東馬坊風(fēng)電場與東寨變電站連接線坊東線的三相和單相電流諧波頻譜可得:坊東線三相電流出現(xiàn)不平衡,各奇次諧波含量較高,其中除5次諧波外17和19次含量最高。過量的17和19次諧波電流經(jīng)坊東線注入東馬坊風(fēng)電場,從而引起風(fēng)機故障停機。
2 諧波過電流分析
2.1 仿真分析法
在Matlab中搭建諧波電流源仿真模型,對風(fēng)電機組變頻器一次濾波電路的濾波特性進行分析。經(jīng)變頻器濾波器后電流波形有了明顯的改善,大部分諧波被濾除。對電流進行FFT分析可得濾波前后各次諧波頻譜分布。比較濾波前后各次諧波含有率可得:經(jīng)變頻器濾波電路后各次諧波含量均減少,諧波次數(shù)越高,該濾波電路對其濾除效果越好。經(jīng)分析濾波后電流中的17和19次諧波含量明顯減少,故可得出結(jié)論,17和19次諧波沒有在變頻器濾波電路中發(fā)生諧振現(xiàn)象。
更改濾波電路的參數(shù),濾波效果明顯不同,對于17次和19次諧波來說,變化更顯著。通過理論分析和仿真得到,將原濾波電路參數(shù),改為Ω, (或?qū)⒃瓰V波電路中濾波電容三角形接法改為星形接法)可以濾除電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波電流,可以避免因電網(wǎng)向風(fēng)電場注入過量的17和19次諧波電流而引起的風(fēng)機故障停機,可以有效的解決東馬坊風(fēng)電場高次諧波故障問題。
2.2 計算法
東馬坊風(fēng)電場的雙饋異步電機主要由感應(yīng)電機、背靠背變換器、Crowbar電流泄放回路和濾波回路4部分組成,其中濾波回路接在網(wǎng)側(cè)變換器側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器并聯(lián),Crowbar電流泄放回路接在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器側(cè),與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器并聯(lián)。風(fēng)機正常運行時,濾波器回路主要用于濾除風(fēng)機變頻器產(chǎn)生的諧波;電網(wǎng)電壓跌落時,轉(zhuǎn)子電流突然增大,Crowbar電流泄放回路主要用于保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器不受影響。
如果風(fēng)機變頻器產(chǎn)生的17和19次諧波經(jīng)過choke和變頻器濾波電路發(fā)生諧振,則此濾波電路的傳遞函數(shù)可表示為:
(1)
分別帶入數(shù)據(jù),,,和,,,,得:,,故該濾波回路與電網(wǎng)17和19次電流發(fā)生諧振對應(yīng)的電網(wǎng)側(cè)電感分別為:,。經(jīng)過計算網(wǎng)側(cè)690 V/35 kV的變壓器電感大小為0.0605 mH,與諧振電感存在較大差距,即使加上線路電感也不足以達到諧振電感下限,所以電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波不會與濾波電路發(fā)生串聯(lián)諧振。
但是考慮到風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變換器串聯(lián)choke(0.4 mH),其與0.421 mH相差不多,故風(fēng)機工作在超同步運行狀態(tài)時,風(fēng)機定子和轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)輸出能量,此時choke中流過的19次諧波電流可能會與濾波電路發(fā)生串聯(lián)諧振,從而引起濾波電阻燒毀。但東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機均發(fā)生在風(fēng)機啟動階段,此階段風(fēng)機工作于亞同步運行狀態(tài),電網(wǎng)通過背靠背變換器向轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞能量,因此因濾波電阻燒毀而導(dǎo)致的風(fēng)機故障停機并非因為choke中的19次諧波電流和濾波回路發(fā)生串聯(lián)諧振所致。
通過以上分析可得:東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機并不是因為電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波電流在濾波電路中發(fā)生串聯(lián)諧振所致,考慮到風(fēng)電場110 kV和35 kV側(cè)17和19次諧波含量本身就很高,故濾波電阻燒毀是因為電網(wǎng)側(cè)較大的17和19次諧波電流注入濾波電路,從而引起濾波電阻發(fā)熱導(dǎo)致溫度過高而燒毀。
3 風(fēng)機故障停機事故解決方案
針對東馬坊風(fēng)電場濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故,提出解決方案如下:(1)通過減小濾波電阻的阻值從而提高濾波電阻承受電流的能力,從而避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。(2)通過修改濾波電路中濾波電容的參數(shù)(將改為),從而降低濾波電路的截止頻率,濾除電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波,從而消除電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波的影響,避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。(3)采用質(zhì)量優(yōu)良的硅膠涂抹于濾波電阻散熱面,從而提高濾波電阻的散熱能力,避免因濾波電阻溫升過高以致燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。(4)通過改善風(fēng)機背靠背變換器的控制策略使其能夠濾除電網(wǎng)注入的17和19次諧波,從而消除電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波的影響,避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。
4 結(jié)語
經(jīng)過分析故障錄器和電能質(zhì)量監(jiān)測儀采集到的數(shù)據(jù)可得,電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波含量高是造成華能寧武東馬坊風(fēng)電場發(fā)生風(fēng)機故障停機事故的根本原因,進一步分析得到17和19次諧波沒有在變頻器濾波電路中發(fā)生諧振現(xiàn)象。精確計算得到,當(dāng)電網(wǎng)110 kV側(cè)17和19次諧波含量超過2%,風(fēng)電場風(fēng)速達到風(fēng)機切入風(fēng)速風(fēng)機啟動時,風(fēng)機濾波回路中的濾波電阻燒毀從而導(dǎo)致風(fēng)機故障停機。變頻器、電弧爐、軋鋼機、電力機車等非線性負荷都是電網(wǎng)側(cè)諧波的主要來源,確切找出17和19次諧波來源并從根源上治理是下一步必要的工作。
參考文獻
[1]韓肖清,張健,張友民,等.風(fēng)電場諧波分析與計算[J].太原理工大學(xué)學(xué)報,2009(5).
[2]馬藝瑋,陳淵睿,曾君.風(fēng)電場電能質(zhì)量分析與評估[J].控制理論與應(yīng)用,2008(2).