风电场电压谐波事件分析

摘要：内蒙古库伦风光电站2018年01月26日35KV系统串入高次谐波，电网电压总畸变率超标，导致#3主变接带的41台南车风电机组发电机转子回路350A熔断器、电压滤波回路1Ω电阻烧损。风电场随后对机组进行了技术改造。本文介绍风电场针对这一隐患进行改造的技术方案和实施经验。关键词：风电场；电压谐波一、引言库伦风光电站总装机423.5MW，其中：风电容量403.5MW、光伏容量20MW。安装187台华锐SL1500型风电机组、75台南车WT1650型风电机组，于2011年4月全部投产发电。二、事件经过环境情况：2018年1月26日，1时风电场平均风速3.1m/s，2时平均风速4.2m/s，5时平均风速5.0m/s，夜间风况呈逐步上升趋势。06时40分后平均风速降至风电机并网风速以下（风电机并网风速3m/s），风电机全部处于待机状态。2018年1月26日00时20分，南车NC017风电机报网侧接触器690V熔断器故障，风电机停机。2018年1月26日00时21分NC014风电机故障停机。2018年01月26日01时26分#3主变共带负荷-476.32kW，无功功率为-12247kVar。#5、#7无功补偿装置带感性12000kvar负荷。01：12至01：52，新增17台南车风电机故障停机。02：00至02：22，新增7台南车风电机故障停机。04：30至04：56，新增11台南车风电机故障停机。05：10至05：12，南车风电机故障停机2台。06：07，南车风电机组故障停机2台。00：20至06：07，共计41台南车风电机组故障停机，停机机组均接入220kV#3主变，故障名称均为“网侧接触器690V熔断器、变频器检测脱网和变频器测试检测到电网掉电”。三、原因分析1月26日07:00，现场检修人员和运维人员进行登机检查，风电机组变频器系统各部件正常、测试发电机绝缘正常，发现所有故障机组均为变频器电压滤波回路1Ω滤波电阻（每台机组6个）、变频器网侧690V350A熔断器（每台机组3个）和变频器网侧125A熔断器（每台机组3个）存在不同数量烧损、熔断现象，其它设备无异常。经统计，其中1Ω滤波电阻累计损坏102个，350A熔断器累计损坏87个，125A熔断器累计损坏5个。查阅风电机SCADA监控后台，发现故障机组故障时三相电流突变、波形存在严重畸变现象，因26日夜间风速较小，未出现机组大面积启停，变电站设备无倒闸操作，投运的SVC设备无功输出无变化，故障录波未启动。初步判断存在电网谐波入侵情况。随后查看变电站220kV#3主变电能质量监测装置，由图1可看出1月26日，#3主变35kV侧在00:00:00电网电压谐波总畸变率达4%，持续0.5h左右；在01:30:00再次出现了电网电压谐波总畸变率异常，畸变率达7.8%，持续2.5h左右；在05:45:00再一次出现了电网电压谐波畸变，最大畸变率达12%，持续5h左右。0时至11时，电压谐波畸变率平均值超过5%，电压谐波总畸变率严重超标（35kV电压谐波总畸变率国标值为3%）。图1：220kV3#主变35kv侧的电压总畸变波形图通过与对端站汗海变运行人员联系，确认汗海变在26日0时至7时，故障录波装置频繁报警启动，具体原因不明。其余19台未发生上述故障，其中NC064风电机于2017年11月份将变频器网侧电压滤波回路1Ω滤波电阻改造为0.5Ω电阻进行试验（试验原因为：库伦风电场综合治理期间，因华锐机组变频器网侧电压滤波回路1Ω电阻频繁烧损，同时导致350A保险烧损。华锐技术人员对电压滤波回路进行改造，将1Ω电阻改造为0.5欧电阻），该机组于26日凌晨5点09分至5点52分处于运行状态，未发生故障。该时间段内35kV系统内高次谐波含量超标；NC050、NC052和NC065机组分别并网运行22分、35分和34分钟，相应时间段内35kV系统内高次谐波含量轻微超标，未发生机组故障。其余15台机组因风速不满足启动条件，未启动运行。（一）电压滤波回路1Ω滤波电阻损坏的原因通过对1月26日NC019风电机变流器故障时刻记录的电网电压和故障前记录的电网电压波形进行分析（见图2、图3），可以看出故障时刻的电网电压波形存在严重的畸变。电网电压谐波含量超过滤波电阻工作范围（允许值≤5%）而击穿损坏。图2：NC019机组故障时刻电网电压波形图图3：NC019机组故障前18h电网电压波形图对故障机组损坏的1Ω滤波电阻进行解体，发现1Ω滤波电阻烧损后，对其散热背板存在放电痕迹（见图4）。图4：55#机组功率电阻解体图（二）转子主回路350ASIBA熔断器熔断损坏的原因通过NC019机组故障时刻电压、电流波形图，发现机组在并网发电的瞬间由于B、C相电网电流的瞬时值达到了2600A和2900A，主回路350A熔断器过电流击穿损坏。故障时刻的电压、电流波形（见图5）。图5：NC019机组故障时刻电压、电流波形图通过滤波电阻解体分析，可以看出电阻是由于过载导致损坏，损坏的电阻内部有很明显的灼伤痕迹，电阻烧损击穿后对其背板放电导致转子回路接地短路。从而导致350A熔断器熔断损坏。（三）电压滤波回路125A熔断器未发生大量熔断的原因如图6、图7所示，350A熔断器为变频器主回路熔断器，负责在发电机转子和变频器主回路出现过电流时及时熔断，保护发电机和变频器各部件。125A熔断器为电压滤波回路熔断器，负责保护电压滤波回路元件。由于125A熔断器设计熔断时间为70ms，而350A熔断器熔断时间为2ms，因此在短路瞬间，350A熔断器先于125A熔断器熔断。图6：变频器主电路图图7：电压滤波回路图综上分析，当风电机组实测平均风速大于切入风速时，随着风电机组发电机的转速上升，当转速达到1200转时，网侧接触器吸合，变频器网侧电压滤波回路启动，同时机侧变频器对发电机进行励磁。此时，电网系统内存在大量高次谐波，风电机网侧变频器电压滤波回路未能应对风电机组并网瞬间出现的高次谐波，造成滤波电阻过载烧损，导致转子回路短路接地，进而引发350A熔断器损坏。（四）谐波来源分析1月26日上午10时现场运行人员先后将220kV#3主变无功补偿装置和220kV#3主变所带机组全部停运，此时电能质量监测装置显示电网仍存在高次谐波，由此判断谐波不是由现场主变、无功补偿装置、集电线路及风电机组产生。11时30分，电网谐波含量持续降低至标准范围之内，通过与对端站汗海变联系，确认在此期间对端站故障滤波频繁起动，可确定谐波来自电网。四、措施及效果LC滤波器接线图如图7所示。Rd由2个1欧姆电阻并联而得，现在需要用2个0.5欧姆的电阻替换原来的阻尼电阻。更换阻尼电阻后系统是否能正常运行，下面将从阻尼特性和发热特性两个方面来验证。原1.5MW级风电机组网侧LC滤波器串联阻尼电阻支路电路图如图7。如图7所示，除了该滤波电阻回路外还有一组电容与之LC滤波器单相等效电路为：图8：串联电阻无源阻尼（一）LC滤波器参数如下表所示L0.4mHC29×33.4μFC19×33.4μFRd0.5Ω（二）滤波电阻对LC滤波特性的影响LC滤波器在取不同阻尼电阻值时其频率特性如图9所示，由图可知，随着阻尼电阻由0.5Ω减小至0.25Ω，LC滤波器在谐振频率处的衰减能力略有减小，但高频谐波衰减能力基本不受阻尼电阻影响。所以，LC滤波器阻尼电阻的更换不会影响滤波器高频滤波性能。图9：频率特性（三）阻尼电阻阻值对发热功率的影响稳态时,单相阻尼电阻Rd的发热功率计算公式为：当电网频率为50Hz时，Ug=690V，Rc=1/100πC2=10.59Ω，那么Rd0.5Ω0.25ΩId37.58A37.61APd706W354W阻尼电阻减小后，流过阻尼电阻的电流变化很小，阻尼损耗基本与阻尼电阻成正比。阻尼电阻减小一半，阻尼电阻的热功率损耗大致也会减小一半。考虑到电网电压波动和电压谐波的影响，上面计算时采用的电压值应提高15%，那么：Rd0.5Ω0.25ΩId43.21A43.25APd934W468W1.5MW级双馈机组中，两个600W的1Ω电阻并联使用，等效阻值Rd为0.5Ω，总的额定功率为1200W，故允许流过两个并联电阻的总电流为：I=√（1200/0.5）=49A，裕度为：(49-43.21)/49=11.8%。如果将两个600W的1Ω电阻更换为两个600W的0.5Ω电阻，Rd为0.25Ω，总电流：I=√（1200/0.25）=69A，裕度：(69-43.25)/69=37.3%。更换阻尼电阻后，阻尼电阻发热功率明显减小，并且阻尼电阻的裕量也从11.8%增加至37.3%，增强了阻尼电阻的稳定性，可有效避免阻尼电阻频繁过热导致的损坏。对比华锐机组和南车机组滤波回路图可知,两种机型接线方式和元件配置完全一致。之前华锐机组因滤波电阻频繁烧损，已将1Ω滤波电阻全部更换为0.5Ω电阻（电阻功率一致，均为600W），此次电网电压波动及电网谐波事件中，华锐风电机组未发生滤波回路电阻烧损问题。为尽快恢复故障机组运行，现场检修人员将所有故障机组完好的1Ω滤波电阻和350A熔断器拆除，重新拼装在故障机组上，并对机组变频器系统进行测试，确认无故障后逐台启机，机组恢复运行。同时基于对华锐、南车机组对比分析，现场检修人员选取5台南车机组将1Ω滤波电阻更换为0.5Ω电阻进行改造试验，改造后机组运行正常，下一步将对南车机组滤波电阻全部进行改造。除此之外，风电场通过升级改造电能质量监测装置并加强定期巡视，及早发现谐波异常现象并采取有效措施避免类似事件的发生。五、总结优化升级变频器网侧电压RC滤波回路，减少滤波回路负载，从而降低电阻发热量，可使电阻在电压出现畸变时不会因过载而熔断；将变频器网侧电压滤波回路125A熔断器优化为3组40A熔断器，对滤波回路进行分级熔断保护，可提升滤波回路保护的灵敏性；优化、升级主控和变频器控制程序，匹配升级后的