發(fā)電機(jī)故障引起的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越研究

武慶元

摘 要：隨著我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展，電力運(yùn)行范圍越來越廣，根據(jù)我國現(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)，對于風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能提出了明確的要求。為確保電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行，結(jié)合我國電網(wǎng)實際運(yùn)行情況，提出了發(fā)電機(jī)短路故障引起發(fā)電機(jī)組低電壓穿越的檢測方案，并在一定程度上優(yōu)化了發(fā)電機(jī)組低電壓穿越技術(shù)水平。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電機(jī)；低電壓穿越；故障

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.176

隨著我國電力網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的日趨廣泛，有很多原因會導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行不穩(wěn)定，其中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能作為一個保證電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的因素，對于電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行有著一定的作用。為保證電力網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場的并網(wǎng)點一旦出現(xiàn)跌落，風(fēng)機(jī)在其跌落范圍內(nèi)可以實現(xiàn)不脫網(wǎng)運(yùn)行，需要在風(fēng)機(jī)內(nèi)部適當(dāng)增加相關(guān)軟件及硬件，以此來實現(xiàn)低電壓穿越。

1 我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)電機(jī)組低電壓穿越的具體要求

我國現(xiàn)行的發(fā)電機(jī)低電壓穿越的國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T19963-2011。相對于國家電網(wǎng)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)，國家標(biāo)準(zhǔn)在國家電網(wǎng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，增加了動態(tài)無功支撐能力要求。對于發(fā)電總裝機(jī)容量為1GW以上的風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組，在低電壓穿越過程中變流器應(yīng)具備以下動態(tài)無功支撐能力。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生三相短路故障引起電壓跌落時，風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓在額定電壓的20%～90%范圍內(nèi)，通過無功電流支撐電壓對變流器進(jìn)行電壓恢復(fù)；一旦電壓出現(xiàn)跌落那一刻起，動態(tài)無功電流控制響應(yīng)時間不應(yīng)長于75ms，并能持續(xù)550ms。

2 發(fā)電機(jī)故障引起的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越研究

要想使風(fēng)力機(jī)組低電壓穿越得意實現(xiàn)，結(jié)合我國現(xiàn)階段電力的發(fā)展水平，需要解決的問題首先是低電壓的檢查問題，并對低電壓事件進(jìn)行快速有效的檢測。這也是實現(xiàn)低電壓穿越的首要條件。當(dāng)風(fēng)力機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越時，其主導(dǎo)控制系統(tǒng)是由變流器和主控系統(tǒng)這兩個部件對組成，使得機(jī)組在沒有出現(xiàn)故障時不處于脫網(wǎng)狀態(tài)，并且在標(biāo)準(zhǔn)GB/T19963-2011的要求下實現(xiàn)低電壓穿越。

2.1 發(fā)電機(jī)故障引起低電壓穿越的原因

在發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時，會引起電壓跌落，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子電流瞬時突變，定轉(zhuǎn)子大電流不能及時得到抑制，就會引起發(fā)電機(jī)和變流器電流過大，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障，進(jìn)入無功模式，進(jìn)而實現(xiàn)低電壓穿越。

2.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓檢測方法

進(jìn)行電網(wǎng)電壓檢測的方法有許多種，針對不平衡電壓跌落風(fēng)力發(fā)電機(jī)現(xiàn)象的存在，一般都采用三線電壓dq分解法。將采集的a、b、c三相電壓變換到dq軸表達(dá)式為：[ud，uq]=C[ua，ub，uc]T 。

通過將三相對稱電壓在dq軸系下的相關(guān)計算，可以得出，一旦d軸電壓出現(xiàn)變化，就可以以此為依據(jù)判斷電網(wǎng)電壓是否出現(xiàn)跌落現(xiàn)象；當(dāng)不平衡電壓跌落現(xiàn)象出現(xiàn)時，q軸上的分量值也不再為0，因此，可以通過q值來判斷電壓不平衡的跌落程度。

2.3 主控系統(tǒng)對于實現(xiàn)低電壓穿越的控制策略

主控系統(tǒng)與變流器之間相互作用配合可以實現(xiàn)風(fēng)力機(jī)組的低電壓穿越。其主要原理為：變流器通過相關(guān)檢測發(fā)現(xiàn)低電壓的存在，就會自動控制機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，與此同時，對低電壓穿越信號傳輸至主控系統(tǒng)。除此之外，主控系統(tǒng)也會根據(jù)相關(guān)設(shè)定對電壓實時監(jiān)控，一旦監(jiān)測到低電壓或者變流器出現(xiàn)異常時，其可以控制發(fā)電機(jī)組進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)。在實現(xiàn)主控系統(tǒng)對低電壓穿越的控制時，需要將低電壓穿越保護(hù)進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置。一旦出現(xiàn)低電壓現(xiàn)象，且被主控系統(tǒng)監(jiān)測到，風(fēng)力機(jī)組就會自動進(jìn)入低電壓穿越模式，如果電壓跌落在標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍之內(nèi)，主控系統(tǒng)會控制機(jī)組實現(xiàn)低電壓穿越；如果跌落電壓較大，主控系統(tǒng)會對相關(guān)故障進(jìn)行報警并停止機(jī)組運(yùn)行。

除了上述的主控系統(tǒng)對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行控制之外，當(dāng)主控系統(tǒng)在低電壓穿越控制模式下，也要對發(fā)電機(jī)進(jìn)行一定程度的降速，完成相對應(yīng)的收槳，其主要目的是防止由于功率過低引起機(jī)組超速，在整個降速過程中，需要對風(fēng)機(jī)內(nèi)部的偏航電動機(jī)、冷卻風(fēng)扇電動機(jī)等非變頻控制設(shè)備進(jìn)行臨時禁止運(yùn)行，以此來抱枕低電壓穿越過程中運(yùn)行電壓的降低。在低電壓穿越后電網(wǎng)電壓恢復(fù)標(biāo)準(zhǔn)要求這個時間段內(nèi)，主控系統(tǒng)應(yīng)以機(jī)組額定功率10%/s的速率進(jìn)行功率恢復(fù)。

2.4 變流器實現(xiàn)低電壓穿越的控制策略

實現(xiàn)變流器低電壓穿越控制的主要原理是：在進(jìn)行并網(wǎng)的過程中，如果出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，一般都會出現(xiàn)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子的電流瞬時升高并伴隨著震蕩，變流器一般是在軟件算法上對電流進(jìn)行抑制，除此之外，還需要在硬件方面實現(xiàn)能量釋放，其主要目的是以此來保護(hù)絕緣柵雙極晶體管等相關(guān)部件。在實現(xiàn)硬件電路泄放電流時，其主要由兩種方式來實現(xiàn)電流泄放：一種是直流母線進(jìn)行電流泄放，一種是在轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行電流泄放。基于此，在進(jìn)行電流泄放時，應(yīng)該在變流器中增加直流母線記憶轉(zhuǎn)子側(cè)等電流泄放模塊，除此之外，還要增加電流的檢測模塊等相關(guān)設(shè)備。在低電壓穿越期間實現(xiàn)電流泄放時，這些模塊主要是用來直流母線的電壓。

2.5 電網(wǎng)故障低電壓穿越過程

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在滿功率發(fā)電期間在三相電壓平衡跌落至額定電壓的20%的時候是最為嚴(yán)重的低電壓穿越的現(xiàn)象，也是考驗變流器控制的一個重要指標(biāo)。由于機(jī)組控制系統(tǒng)內(nèi)部參數(shù)設(shè)置不能實現(xiàn)突變，當(dāng)電壓出現(xiàn)跌落時往往會影響到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流，使其發(fā)生瞬時突變。定轉(zhuǎn)子大電流如果不能及時抑制，就會引發(fā)一系列問題，造成變流器中功率器件因電流過大而造成損壞。因此在低電壓開始的一瞬間，變流器要充分發(fā)揮自身的控制作用，立即停止機(jī)側(cè)的勵磁調(diào)制，使電流穩(wěn)定后進(jìn)入一種無功狀態(tài)。

3 結(jié)語

在發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路往往會引起電壓跌落的情況，使其進(jìn)入低電壓穿越狀態(tài)，這種狀態(tài)下的發(fā)電機(jī)組極易出現(xiàn)損壞，進(jìn)而引發(fā)安全事故。因此，應(yīng)加強(qiáng)對風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越功能的研究，在實現(xiàn)其控制的過程中，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子短路引起機(jī)組低電壓穿越時，風(fēng)機(jī)應(yīng)對其進(jìn)行及時檢測，并且實現(xiàn)設(shè)備的脫網(wǎng)運(yùn)行，而不是持續(xù)執(zhí)行低電壓穿越功能，以此來保證當(dāng)出現(xiàn)低電壓穿越現(xiàn)象時，不出現(xiàn)風(fēng)機(jī)設(shè)備脫網(wǎng)的情況。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳昆明.發(fā)電機(jī)故障引起的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越研究[J].上海電氣技術(shù)，2017（01）：49-53+63.endprint