三相電流不平衡引起的風(fēng)機脫網(wǎng)分析

羅揚曙

(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無功補償裝置，接在35 kV母線上，裝置第一期投運正常，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)電場運行方式進行調(diào)整，并網(wǎng)點由線路檢修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)電場運行中58臺風(fēng)機不明原因脫網(wǎng)，風(fēng)電場升壓站相關(guān)電氣保護未動作，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監(jiān)控系統(tǒng)，另一套是風(fēng)機計算機監(jiān)控系統(tǒng)，風(fēng)機脫網(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)機故障一覽表的信息，發(fā)現(xiàn)各臺風(fēng)機脫網(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)機故障報文顯示的主要脫網(wǎng)原因有六種之多，而且風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)沒有首出，也沒有能提供與實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PLC和風(fēng)機監(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)機故障和脫網(wǎng)的時間順序。

另外由于風(fēng)機監(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)機故障時標(biāo)只能由監(jiān)控系統(tǒng)上位機給定，加之存在不同的采樣的通信延時，通過風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)上位機故障一覽表無法判斷風(fēng)機脫網(wǎng)原因。但是可以通過風(fēng)機主控PLC風(fēng)機故障時生成的兩個對應(yīng)的文件來進行原因分析查找，正常情況下，風(fēng)機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)機故障數(shù)據(jù)文件，為.txt文件。記錄了風(fēng)機故障停機前后30 s的重要數(shù)據(jù)，采樣周期為20 ms。比風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)采集的1 s間隔的數(shù)據(jù)更加精確。

為了進一步證實事故原因，對應(yīng)查看了每臺風(fēng)機主控PLC生成的風(fēng)機故障數(shù)據(jù)文件，根據(jù)文件可以看出，停機前第－2.06 s，風(fēng)機三相電流不平衡值超過了定值100 A，第0 s時刻風(fēng)機保護故障觸發(fā)，此時電流已經(jīng)連續(xù)2 s超過定值100 A，風(fēng)機進入故障停機模式，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)電機轉(zhuǎn)速低于900 rpm，風(fēng)機并網(wǎng)開關(guān)信號mcb_on從1變?yōu)?，風(fēng)機脫網(wǎng)。

經(jīng)過檢查多臺機數(shù)據(jù)記錄文件，引起風(fēng)機停機脫網(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時刻啟動停機過程，停機過程中變流器的報警和故障，以及電壓低都同時在風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中報出，但是這些報警或故障都與風(fēng)機脫網(wǎng)無關(guān)。

4 三相電流不平衡保護原理

目前，風(fēng)電場主控系統(tǒng)采用可編程控制器(PLC)實現(xiàn)，本風(fēng)電場風(fēng)機PLC使用自帶的電量卡件對電網(wǎng)三相電壓、變流器并網(wǎng)點三相電流進行測量。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可以實現(xiàn)電壓、電流的瞬時值采樣，但是無法滿足負序電流計算精度要求。所以，風(fēng)機三相電流不平衡保護原理沒有采用國標(biāo)《電能質(zhì)量三相電壓不平衡》GB/T15543的負序電流法計算方法(采集三相電流，計算出正序和負序電流，再利用負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定值為4%，因此可以利用電流偏差法替代負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)機主控沒有電流相位采集功能，三相電流不平衡不能采用負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)大于保護定值，保護動作，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)運行方式改變后，風(fēng)電場并網(wǎng)點發(fā)生改變，并網(wǎng)點變電站有重載的單相整流變?yōu)楫?dāng)?shù)仉娏C車提供負荷，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》采用負序電流不平衡度計算的保護定值的允許值，電網(wǎng)本身未發(fā)生故障。但是由于風(fēng)機保護定值設(shè)置偏小，設(shè)置不合理，風(fēng)機主控保護定值未按變頻器最大承受能力統(tǒng)一整定保護動作定值和延時定值，加之風(fēng)電場無功補償未投入，加大了風(fēng)電場三相電流不平衡，導(dǎo)致風(fēng)機在電網(wǎng)電流不平衡沒有超過電網(wǎng)要求限值時，保護動作，最終導(dǎo)致了風(fēng)機大規(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)機設(shè)備交接驗收把關(guān)不嚴(yán)，技術(shù)監(jiān)控不到位，風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)未實現(xiàn)與GPS對時，風(fēng)機PLC也沒有實現(xiàn)與風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)器的時間同步，導(dǎo)致風(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)報警一覽表無法判斷風(fēng)機脫網(wǎng)的真實原因。

2)現(xiàn)場運行維護人員技術(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償裝置SVG和電容器。可以投用，但是由于管理和認識不到位，沒有投用。二期無功補償裝置系統(tǒng)建設(shè)滯后，未隨二期風(fēng)場同時投入運行，此當(dāng)并網(wǎng)運行方式改變后也為及時投入無功補償裝置，反從電網(wǎng)側(cè)倒吸無功，導(dǎo)致機端電壓過低，加大了兩相間電流的差值，最終導(dǎo)致風(fēng)機大規(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償裝置的情況下反從電網(wǎng)側(cè)倒吸無功，其風(fēng)機機端電壓部分時段下降到－6～－9%額定電壓左右，在風(fēng)電機負荷不變的情況下，加大了兩相電流間的差值而達到脫網(wǎng)定值，導(dǎo)致了大量風(fēng)機同時脫網(wǎng)。

4)對風(fēng)機PLC系統(tǒng)電氣保護項目及定值設(shè)置不清楚。

風(fēng)機廠家內(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)機電氣保護動作不一致。

5)運行時，調(diào)度運行方式改變后，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)機運行影響。

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)機主控系統(tǒng)、風(fēng)機保護、變流器調(diào)試把關(guān)工作，特殊重要項目如GPS全廠時間同步、風(fēng)機保護試驗、無功控制功能進行專項驗收。

3)升級風(fēng)機主控系統(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)機和風(fēng)機監(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，加強電容器和SVG系統(tǒng)的管理，制定并完善無功補償裝置SVG的電容器的投運現(xiàn)場運行規(guī)程和SVG控制策略。正常情況下，SVG以“無功電壓控制模式”投入運行，F(xiàn)C電容器組處于熱備用狀態(tài)。當(dāng)SVG補償容量達到容性額定值時，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)公共連接點電壓不平衡度不超過2%，短時不超過4%的情況下風(fēng)機正常運行不得脫網(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)機長時間運行和瞬時的機端電壓不平衡度，滿足系統(tǒng)正常運行的要求。

5)加強運維人員培訓(xùn)，熟悉風(fēng)機主控系統(tǒng)設(shè)置、風(fēng)機保護配置、無功控制、電網(wǎng)運行等相關(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)機故障時原因查找的方法和過程，以及三相電流不平衡保護實現(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)和運行維護單位應(yīng)加強風(fēng)機投產(chǎn)驗收把關(guān)和技術(shù)培訓(xùn)工作，從而提高風(fēng)電場整體運行維護的水平，保證風(fēng)電場安全、穩(wěn)定的運行。

［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］.