風(fēng)電場電壓諧波事件分析

摘要：內(nèi)蒙古庫倫風(fēng)光電站2018年01月26日35KV系統(tǒng)串入高次諧波，電網(wǎng)電壓總畸變率超標，導(dǎo)致#3主變接帶的41臺南車風(fēng)電機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路350A熔斷器、電壓濾波回路1Ω電阻燒損。風(fēng)電場隨后對機組進行了技術(shù)改造。本文介紹風(fēng)電場針對這一隱患進行改造的技術(shù)方案和實施經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：風(fēng)電場；電壓諧波一、引言庫倫風(fēng)光電站總裝機423.5MW，其中：風(fēng)電容量403.5MW、光伏容量20MW。安裝187臺華銳SL1500型風(fēng)電機組、75臺南車WT1650型風(fēng)電機組，于2011年4月全部投產(chǎn)發(fā)電。二、事件經(jīng)過環(huán)境情況：2018年1月26日，1時風(fēng)電場平均風(fēng)速3.1m/s，2時平均風(fēng)速4.2m/s，5時平均風(fēng)速5.0m/s，夜間風(fēng)況呈逐步上升趨勢。06時40分后平均風(fēng)速降至風(fēng)電機并網(wǎng)風(fēng)速以下（風(fēng)電機并網(wǎng)風(fēng)速3m/s），風(fēng)電機全部處于待機狀態(tài)。2018年1月26日00時20分，南車NC017風(fēng)電機報網(wǎng)側(cè)接觸器690V熔斷器故障，風(fēng)電機停機。2018年1月26日00時21分NC014風(fēng)電機故障停機。2018年01月26日01時26分#3主變共帶負荷-476.32kW，無功功率為-12247kVar。#5、#7無功補償裝置帶感性12000kvar負荷。01：12至01：52，新增17臺南車風(fēng)電機故障停機。02：00至02：22，新增7臺南車風(fēng)電機故障停機。04：30至04：56，新增11臺南車風(fēng)電機故障停機。05：10至05：12，南車風(fēng)電機故障停機2臺。06：07，南車風(fēng)電機組故障停機2臺。00：20至06：07，共計41臺南車風(fēng)電機組故障停機，停機機組均接入220kV#3主變，故障名稱均為“網(wǎng)側(cè)接觸器690V熔斷器、變頻器檢測脫網(wǎng)和變頻器測試檢測到電網(wǎng)掉電”。三、原因分析1月26日07:00，現(xiàn)場檢修人員和運維人員進行登機檢查，風(fēng)電機組變頻器系統(tǒng)各部件正常、測試發(fā)電機絕緣正常，發(fā)現(xiàn)所有故障機組均為變頻器電壓濾波回路1Ω濾波電阻（每臺機組6個）、變頻器網(wǎng)側(cè)690V350A熔斷器（每臺機組3個）和變頻器網(wǎng)側(cè)125A熔斷器（每臺機組3個）存在不同數(shù)量燒損、熔斷現(xiàn)象，其它設(shè)備無異常。經(jīng)統(tǒng)計，其中1Ω濾波電阻累計損壞102個，350A熔斷器累計損壞87個，125A熔斷器累計損壞5個。查閱風(fēng)電機SCADA監(jiān)控后臺，發(fā)現(xiàn)故障機組故障時三相電流突變、波形存在嚴重畸變現(xiàn)象，因26日夜間風(fēng)速較小，未出現(xiàn)機組大面積啟停，變電站設(shè)備無倒閘操作，投運的SVC設(shè)備無功輸出無變化，故障錄波未啟動。初步判斷存在電網(wǎng)諧波入侵情況。隨后查看變電站220kV#3主變電能質(zhì)量監(jiān)測裝置，由圖1可看出1月26日，#3主變35kV側(cè)在00:00:00電網(wǎng)電壓諧波總畸變率達4%，持續(xù)0.5h左右；在01:30:00再次出現(xiàn)了電網(wǎng)電壓諧波總畸變率異常，畸變率達7.8%，持續(xù)2.5h左右；在05:45:00再一次出現(xiàn)了電網(wǎng)電壓諧波畸變，最大畸變率達12%，持續(xù)5h左右。0時至11時，電壓諧波畸變率平均值超過5%，電壓諧波總畸變率嚴重超標（35kV電壓諧波總畸變率國標值為3%）。圖1：220kV3#主變35kv側(cè)的電壓總畸變波形圖通過與對端站汗海變運行人員聯(lián)系，確認汗海變在26日0時至7時，故障錄波裝置頻繁報警啟動，具體原因不明。其余19臺未發(fā)生上述故障，其中NC064風(fēng)電機于2017年11月份將變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路1Ω濾波電阻改造為0.5Ω電阻進行試驗（試驗原因為：庫倫風(fēng)電場綜合治理期間，因華銳機組變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路1Ω電阻頻繁燒損，同時導(dǎo)致350A保險燒損。華銳技術(shù)人員對電壓濾波回路進行改造，將1Ω電阻改造為0.5歐電阻），該機組于26日凌晨5點09分至5點52分處于運行狀態(tài)，未發(fā)生故障。該時間段內(nèi)35kV系統(tǒng)內(nèi)高次諧波含量超標；NC050、NC052和NC065機組分別并網(wǎng)運行22分、35分和34分鐘，相應(yīng)時間段內(nèi)35kV系統(tǒng)內(nèi)高次諧波含量輕微超標，未發(fā)生機組故障。其余15臺機組因風(fēng)速不滿足啟動條件，未啟動運行。（一）電壓濾波回路1Ω濾波電阻損壞的原因通過對1月26日NC019風(fēng)電機變流器故障時刻記錄的電網(wǎng)電壓和故障前記錄的電網(wǎng)電壓波形進行分析（見圖2、圖3），可以看出故障時刻的電網(wǎng)電壓波形存在嚴重的畸變。電網(wǎng)電壓諧波含量超過濾波電阻工作范圍（允許值≤5%）而擊穿損壞。圖2：NC019機組故障時刻電網(wǎng)電壓波形圖圖3：NC019機組故障前18h電網(wǎng)電壓波形圖對故障機組損壞的1Ω濾波電阻進行解體，發(fā)現(xiàn)1Ω濾波電阻燒損后，對其散熱背板存在放電痕跡（見圖4）。圖4：55#機組功率電阻解體圖（二）轉(zhuǎn)子主回路350ASIBA熔斷器熔斷損壞的原因通過NC019機組故障時刻電壓、電流波形圖，發(fā)現(xiàn)機組在并網(wǎng)發(fā)電的瞬間由于B、C相電網(wǎng)電流的瞬時值達到了2600A和2900A，主回路350A熔斷器過電流擊穿損壞。故障時刻的電壓、電流波形（見圖5）。圖5：NC019機組故障時刻電壓、電流波形圖通過濾波電阻解體分析，可以看出電阻是由于過載導(dǎo)致?lián)p壞，損壞的電阻內(nèi)部有很明顯的灼傷痕跡，電阻燒損擊穿后對其背板放電導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路接地短路。從而導(dǎo)致350A熔斷器熔斷損壞。（三）電壓濾波回路125A熔斷器未發(fā)生大量熔斷的原因如圖6、圖7所示，350A熔斷器為變頻器主回路熔斷器，負責(zé)在發(fā)電機轉(zhuǎn)子和變頻器主回路出現(xiàn)過電流時及時熔斷，保護發(fā)電機和變頻器各部件。125A熔斷器為電壓濾波回路熔斷器，負責(zé)保護電壓濾波回路元件。由于125A熔斷器設(shè)計熔斷時間為70ms，而350A熔斷器熔斷時間為2ms，因此在短路瞬間，350A熔斷器先于125A熔斷器熔斷。圖6：變頻器主電路圖圖7：電壓濾波回路圖綜上分析，當風(fēng)電機組實測平均風(fēng)速大于切入風(fēng)速時，隨著風(fēng)電機組發(fā)電機的轉(zhuǎn)速上升，當轉(zhuǎn)速達到1200轉(zhuǎn)時，網(wǎng)側(cè)接觸器吸合，變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路啟動，同時機側(cè)變頻器對發(fā)電機進行勵磁。此時，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)存在大量高次諧波，風(fēng)電機網(wǎng)側(cè)變頻器電壓濾波回路未能應(yīng)對風(fēng)電機組并網(wǎng)瞬間出現(xiàn)的高次諧波，造成濾波電阻過載燒損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子回路短路接地，進而引發(fā)350A熔斷器損壞。（四）諧波來源分析1月26日上午10時現(xiàn)場運行人員先后將220kV#3主變無功補償裝置和220kV#3主變所帶機組全部停運，此時電能質(zhì)量監(jiān)測裝置顯示電網(wǎng)仍存在高次諧波，由此判斷諧波不是由現(xiàn)場主變、無功補償裝置、集電線路及風(fēng)電機組產(chǎn)生。11時30分，電網(wǎng)諧波含量持續(xù)降低至標準范圍之內(nèi)，通過與對端站汗海變聯(lián)系，確認在此期間對端站故障濾波頻繁起動，可確定諧波來自電網(wǎng)。四、措施及效果LC濾波器接線圖如圖7所示。Rd由2個1歐姆電阻并聯(lián)而得，現(xiàn)在需要用2個0.5歐姆的電阻替換原來的阻尼電阻。更換阻尼電阻后系統(tǒng)是否能正常運行，下面將從阻尼特性和發(fā)熱特性兩個方面來驗證。原1.5MW級風(fēng)電機組網(wǎng)側(cè)LC濾波器串聯(lián)阻尼電阻支路電路圖如圖7。如圖7所示，除了該濾波電阻回路外還有一組電容與之LC濾波器單相等效電路為：圖8：串聯(lián)電阻無源阻尼（一）LC濾波器參數(shù)如下表所示L0.4mHC29×33.4μFC19×33.4μFRd0.5Ω（二）濾波電阻對LC濾波特性的影響LC濾波器在取不同阻尼電阻值時其頻率特性如圖9所示，由圖可知，隨著阻尼電阻由0.5Ω減小至0.25Ω，LC濾波器在諧振頻率處的衰減能力略有減小，但高頻諧波衰減能力基本不受阻尼電阻影響。所以，LC濾波器阻尼電阻的更換不會影響濾波器高頻濾波性能。圖9：頻率特性（三）阻尼電阻阻值對發(fā)熱功率的影響穩(wěn)態(tài)時,單相阻尼電阻Rd的發(fā)熱功率計算公式為：當電網(wǎng)頻率為50Hz時，Ug=690V，Rc=1/100πC2=10.59Ω，那么Rd0.5Ω0.25ΩId37.58A37.61APd706W354W阻尼電阻減小后，流過阻尼電阻的電流變化很小，阻尼損耗基本與阻尼電阻成正比。阻尼電阻減小一半，阻尼電阻的熱功率損耗大致也會減小一半?？紤]到電網(wǎng)電壓波動和電壓諧波的影響，上面計算時采用的電壓值應(yīng)提高15%，那么：Rd0.5Ω0.25ΩId43.21A43.25APd934W468W1.5MW級雙饋機組中，兩個600W的1Ω電阻并聯(lián)使用，等效阻值Rd為0.5Ω，總的額定功率為1200W，故允許流過兩個并聯(lián)電阻的總電流為：I=√（1200/0.5）=49A，裕度為：(49-43.21)/49=11.8%。如果將兩個600W的1Ω電阻更換為兩個600W的0.5Ω電阻，Rd為0.25Ω，總電流：I=√（1200/0.25）=69A，裕度：(69-43.25)/69=37.3%。更換阻尼電阻后，阻尼電阻發(fā)熱功率明顯減小，并且阻尼電阻的裕量也從11.8%增加至37.3%，增強了阻尼電阻的穩(wěn)定性，可有效避免阻尼電阻頻繁過熱導(dǎo)致的損壞。對比華銳機組和南車機組濾波回路圖可知,兩種機型接線方式和元件配置完全一致。之前華銳機組因濾波電阻頻繁燒損，已將1Ω濾波電阻全部更換為0.5Ω電阻（電阻功率一致，均為600W），此次電網(wǎng)電壓波動及電網(wǎng)諧波事件中，華銳風(fēng)電機組未發(fā)生濾波回路電阻燒損問題。為盡快恢復(fù)故障機組運行，現(xiàn)場檢修人員將所有故障機組完好的1Ω濾波電阻和350A熔斷器拆除，重新拼裝在故障機組上，并對機組變頻器系統(tǒng)進行測試，確認無故障后逐臺啟機，機組恢復(fù)運行。同時基于對華銳、南車機組對比分析，現(xiàn)場檢修人員選取5臺南車機組將1Ω濾波電阻更換為0.5Ω電阻進行改造試驗，改造后機組運行正常，下一步將對南車機組濾波電阻全部進行改造。除此之外，風(fēng)電場通過升級改造電能質(zhì)量監(jiān)測裝置并加強定期巡視，及早發(fā)現(xiàn)諧波異?，F(xiàn)象并采取有效措施避免類似事件的發(fā)生。五、總結(jié)優(yōu)化升級變頻器網(wǎng)側(cè)電壓RC濾波回路，減少濾波回路負載，從而降低電阻發(fā)熱量，可使電阻在電壓出現(xiàn)畸變時不會因過載而熔斷；將變頻器網(wǎng)側(cè)電壓濾波回路125A熔斷器優(yōu)化為3組40A熔斷器，對濾波回路進行分級熔斷保護，可提升濾波回路保護的靈敏性；優(yōu)化、升級主控和變頻器控制程序，匹配升級后的