發電機故障引起的雙饋風力發電機組低電壓穿越研究

陳昆明

上海電氣風電集團有限公司 上海 200241

為使電網運行穩定，要求接入的風力發電機組具備低電壓穿越功能，即要求當風電場并網點電壓跌落，且跌落一定范圍內時，風機不脫網運行。因此，風機需要增加一系列軟硬件以實現低電壓穿越功能。

如圖1所示，風場并網點位于風電場升壓站高壓側母線或節點，并非單臺風機并網點。由于風場并網點短路容量遠大于單臺風機并網點短路容量，風場并網點電壓跌落必然會引起單臺風機并網點電壓跌落。但是，單臺風機并網點電壓跌落不一定會引起風場并網點同比例電壓跌落。風機變流器電網電壓檢測點位于單臺風機并網點，該點電壓跌落可能由電網線路(風場并網點及前級高壓電網)短路引起，也可能由風機發電機內部短路引起。由于變流器只能檢測單臺風機并網點電壓，因此，即使有電壓跌落也無法判斷是電網線路短路還是發電機內部定子短路。如果電壓跌落由發電機內部定子短路引起，變流器仍因低電壓穿越功能不脫網控制，會引起機組重大事故，甚至起火，損失將相當嚴重。

基于風電場實際運行案例，依據低電壓穿越相關標準，對比電網故障和發電機故障兩種情況引起電壓跌落時變流器的運行數據，研究提出針對由發電機故障引起的低電壓穿越機組保護功能，進而優化機組安全控制策略。

圖1 風機并網結構圖

1 低電壓穿越的標準要求

1.1 Q/GDW 392—2009[1]

風電場內的風電機組在并網點電壓跌至20%Un(額定電壓)時，能夠保證不脫網連續運行625ms。風電場并網點電壓在發生跌落后2s內能恢復到90%Un，進而保證風電場內的風電機組不脫網連續運行。

對于電網發生不同類型故障的情況，風電場低電壓穿越的要求如下： 當電網發生三相短路故障、兩相短路故障、單相短路故障引起并網點電壓跌落時，若風電場并網點各線電壓在圖2中電壓輪廓線及以上的區域內，則風電場內風電機組必須保證不脫網連續運行；若風電場并網點任意一線電壓低于或部分低于圖2中電壓輪廓線，則風電場內風電機組允許從電網中切出。

圖2 風電場低電壓穿越要求

對電網故障期間沒有切出電網的風電場，其有功功率在故障消除后應盡快恢復，以不小于每秒10%Pn(額定功率)的速率恢復至故障前的值。

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上，增加了動態無功支撐能力要求。對于總裝機容量在1GW以上的風電場內風電機組，在低電壓穿越過程中變流器應具有下列動態無功支撐能力： 電力系統發生三相短路故障引起電壓跌落，當風電場并網點電壓處于(20%～90%)Un區間內時，變流器通過注入無功電流支撐電壓恢復；自電壓跌落出現的時刻起，該動態無功電流控制的響應時間不長于75ms，并能持續550ms。

變流器注入電力系統的動態無功電流為： 1.5×(0.9-UT)In，其中In為風電場的額定電流，UT為故障期間并網點電壓標幺值，且0.2≤UT≤0.9。

由此可見，低電壓穿越功能不僅要求電壓跌落時風機不脫網運行，同時在穿越期間要提供無功支持，幫助恢復電網電壓。

2 風機低電壓穿越功能的實現

風機實現低電壓穿越功能，首先要重點解決低電壓檢測問題，快速有效檢測低電壓事件是風機能夠完成低電壓穿越的先導條件。在風機進入低電壓穿越狀態后，主要由變流器和主控系統兩個關鍵部件主導控制，使機組無故障不脫網，并按GB/T 19963—2011要求實現低電壓穿越。

2.1 低電壓檢測方法

電網電壓檢測有多種方法[3]，針對存在不平衡電壓跌落的風機，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軸表達式：

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

(1)

三相靜止坐標系到兩相旋轉坐標系的變換矩陣為：

(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；ω為a相電壓角頻率。

將對稱的三相電網電壓表示為：

(3)

式中：U為線電壓有效值。

經過dq變換后的電壓為：

(4)

三相對稱電壓在旋轉dq軸系下，d軸電壓變化可以判斷電網電壓是否跌落；當出現不平衡跌落時，q軸分量不再為0，通過q軸變化可以判斷不平衡跌落程度。

2.2 主控系統控制策略

主控系統與變流器配合，共同完成機組低電壓穿越。當變流器檢測到低電壓時，會進入低電壓穿越控制模式，同時將低電壓穿越信號傳輸至主控系統。主控系統也會對電壓進行監控，當檢測到低電壓或收到變流器信號后，同樣進入低電壓穿越控制模式。

主控系統需要按圖2所示曲線設置低電壓穿越保護，并適當留有2%的裕度。當檢測到低電壓后，主控系統進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，控制機組進行低電壓穿越，一旦超出范圍，則將對故障報警并停機。主控系統在低電壓穿越控制模式下，不僅要完成一定角度的收槳，降低發電機轉速，避免功率降低后的機組超速，而且要臨時禁止風機的偏航電動機、冷卻水泵、冷卻風扇電動機、潤滑電動機等非變頻控制設備工作，避免低電壓穿越期間運行過流。在低電壓穿越電網電壓恢復期間，主控系統也要以不低于每秒10%Pn的速率恢復機組有功功率，實現發電功率平穩過渡。

2.3 變流器控制策略

變流器控制發電機實現低電壓穿越功能。并網期間，一旦發生電壓跌落，會瞬時導致發電機定轉子電流驟升且產生振蕩，變流器不僅要在軟件算法上進行電流抑制控制，也需要通過硬件泄放電路完成能量釋放，以保護絕緣柵雙極晶體管等功率器件及發電機[4]。硬件泄放電路主要包括直流母線泄放電路和轉子側泄放電路。變流器不僅需要增加直流母線泄放電路模塊和轉子側泄放電路模塊，而且需要增加電流監測模塊、溫度檢測模塊、不間斷電源等，用于低電壓穿越期間直流側及轉子側的大電流泄放，穩定直流母線電壓。

變流器直流母線泄放電路模塊、轉子側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 轉子側泄放電路控制流程圖

2.4 電網故障低電壓穿越過程

風機滿功率并網發電期間發生三相至20%Un的電壓跌落是低電壓穿越中最嚴酷的運行工況,也是考驗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行數據。

圖5 低電壓穿越期間并網點電壓波形

圖6 低電壓穿越期間發電機定子電流波形

圖7 低電壓穿越期間發電機轉子電流波形

由圖5～圖7可以看出，突然發生電壓跌落會導致發電機定轉子電流瞬時突變，這是機組控制系統內部參數不能突變所致。定轉子大電流如果不能立即抑制，會引起發電機和變流器過電流，導致變流器中功率器件因過電流而損壞。因此，在低電壓開始瞬時，變流器需要立即停止機側的勵磁調制，并按圖3、圖4所示控制流程啟動直流母線泄放電路和轉子側泄放電路抑制過電流。轉子側泄放電路一般投切時間在 20～30ms之間，然后迅速退出。直流母線泄放電路根據直流母線電壓波動情況可能有多次投切。一旦轉子側泄放電路投切退出，變流器就可以進行轉子控制，進而重新進行發電機勵磁控制，穩定電流后立即進入發無功模式。

根據GB/T 19963—2011要求，從低電壓穿越開始至變流器重新獲得發電機勵磁控制的時間不應長于 55ms，并需要在一個電壓周期內完成無功支持，即低電壓穿越期間無功響應時間不長于 75ms。低電壓穿越開始75ms后，變流器進入低電壓控制的穩態期。低電壓開始625ms后，電壓由20%Un逐漸向Un恢復，由于電壓變化，變流器控制又進入不穩定期。如果電壓恢復較快，有可能定子電流和轉子電流再次產生沖擊電流，重新啟動直流母線泄放電路和轉子側泄放電路。由圖5～圖7所示波形可見，由于電壓恢復平緩，并未引起直流母線泄放電路和轉子側泄放電路再次啟動。當并網點電壓恢復至Un時，風機以至少每秒10%Pn的速率恢復功率控制。由圖6可以看出，發電機定子電流逐漸增大，機組完成一次低電壓穿越過程。

3 發電機短路低電壓穿越案例研究

3.1 案例分析

圖8為某風電場一臺風機在發電機故障后的拆解圖，其內部燒毀嚴重，事故原因為定子無緯帶散開導致發電機定轉子掃膛，定子繞組相對地嚴重短路，短路電流未能及時分斷。

由圖9可以看出，短路電流在定子阻抗上產生很大壓降，并引發機組并網點電壓跌落。A相電壓跌至660V,為68%Un，低于90%Un，從而機組進入低電壓穿越模式。由于在低電壓穿越控制模式下變流器不脫網運行，導致短路故障持續了近 600ms，電網電流最高達到7488A，如圖10所示標記位置。發電機定子電流同樣能反映過電流情況，如圖11所示，定子嚴重過電流導致變流器電流測量值溢出，顯示到測量范圍的最大值(2556A)。由于風機進入低電壓穿越控制模式，轉子側泄放電路達到觸發條件投入，轉子側封鎖脈沖，形成如圖12所示的發電機轉子電流波形。圖13為故障時刻主控系統日志，從中可以看出機組誤以為電網故障引起低電壓穿越。該故障最終因變流器并網斷路器過電流保護動作而跳閘，但是已經引起發電機內部嚴重燒毀。由于該機組變流器未對發電機短路引起的低電壓穿越進行有效識別，而是繼續以低電壓穿越方式運行，使故障損失嚴重擴大，發電機定轉子繞組損毀嚴重。

圖8 發電機故障情況

圖9 故障案例低電壓穿越期間并網點電壓波形

圖10 主控系統故障記錄截圖

圖11 故障案例低電壓穿越期間發電機定子電流波形

圖12 故障案例低電壓穿越期間發電機轉子電流波形

圖13 主控系統故障日志

3.2 低電壓穿越優化

通過以上案例可以發現，當發電機定子對地嚴重短路故障時，會引起發電機電壓一定程度跌落，跌落深度超過10%Un，引起風機主控系統和變流器檢測到低電壓從而進入低電壓穿越控制模式。由于低電壓穿越期間要求風機不脫網運行，導致發電機故障進一步擴大，加重事故。因此需要研究發電機定子對地短路故障時，如何避免機組因低電壓穿越功能投入而不能及時有效脫網保護的方案[7-9]。

如圖14所示，對d1、d2兩種短路方式進行分析，其中d1為風場35kV并網點對地短路，d2為發電機定子對地短路。由于短路位置分別位于變流器電壓電流測量點兩側，當d1點短路時，變流器監測點不會檢測到零序電流，而在d2點短路時，變流器能夠及時檢測到零序電流。

圖14 不同短路點短路電流路徑

目前針對定子側電流檢測通常變流器只配置兩相電流互感器，鑒于以上問題，需要增加定子三相電流互感器，用以檢測零序電流，進而有效識別因發電機故障引起的低電壓穿越，并及時脫網保護，避免機組事故擴大。

發電機定子繞組為△/Y接線，中性點不接地，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為發電機定子三相電流瞬時值；i0為發電機定子零序電流。

當發生對地短路時，|i0|>0，|i0|大于一定閾值后，變流器就會發出定子電流不平衡故障報警。經過試驗測試，這一閾值設置為80A。

變流器根據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。這一措施已批量應用至風場中。

4 結束語

在發電機內部定子短路引起電壓跌落情況下進入低電壓穿越控制模式運行會嚴重損害機組，擴大事故。基于控制策略的研究，當發電機內部定子短路引起風機進入低電壓穿越控制模式時，風機應及時檢測識別并實現設備脫網，而不是繼續執行低電壓穿越功能。由于風力發電機組屬于分布式發電設備，單機容量相比大電網容量微乎其微，且發電機短路故障發生概率較低，因此機組保護脫網不會對電網產生不利影響。

目前中國電力科學院已經完成了市場上主流風力發電機組低電壓穿越功能測試認證，測試條件均為發電機正常運行，并未考慮發電機故障引起低電壓穿越的情況[10]，本文研究尚屬首例。

本文研究基于風電場故障案例，從低電壓穿越標準要求和變流器低電壓穿越原理出發，研究故障原因，并提出有效解決方案，對風機設計和風電場運行具有應用價值。

[1] 風電場接入電網技術規定： Q/GDW 392—2009[S].

[2] 風電場接入電力系統技術規定： GB/T 19963—2011[S].

[3] 胡書舉,李建林，李梅.風電系統實現LVRT的電網電壓跌落檢測方法[J].大功率變流器技術,2008(6)： 17-21.

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

[5] 關宏亮,趙海翔,遲永寧,等.電力系統對并網風電機組承受低電壓能力的要求[J].電網技術，2007，31(7)： 78-82.

[6] 姚駿，廖勇.基于Crowbar保護控制的交流勵磁風電系統運行分析[J].電力系統自動化，2007，31(23)： 79-83.

[7] 王偉,孫明冬,朱曉東.雙饋式風力發電機低電壓穿越技術分析[J].電力系統自動化,2007,31(23)： 84-89.

[8] 胡家兵.雙饋異步風力發電機系統電網故障穿越(不間斷)運行研究——基礎理論與關鍵技術[D].杭州： 浙江大學,2009.

[9] 趙仁德.變速恒頻雙饋風力發電機交流勵磁電源研究[D].杭州： 浙江大學,2005.

[10] 張黎明，禹華軍，朱志權.大型雙饋風機LVRT功能實現原理及測試驗證[J].上海電氣技術，2014，7(2)： 45- 51.