110kV线路缺相故障对双馈风电机组运行影响的分析

查显宝

（北京国电思达科技有限公司，北京 100039）

110kV线路缺相故障对双馈风电机组运行影响的分析

查显宝

（北京国电思达科技有限公司，北京 100039）

随着风电的快速发展以及随之出现的风电“消纳”问题，风电对电网的影响得到了越来越多的关注。但电网的不稳定性或故障对风电机组的影响往往被忽视，而电网的不稳定性或故障引起的破坏性影响却是风电机组安全运行的重要隐患。本文通过对黑龙江某风场发生的110kV线路缺相故障进行了深入分析，针对故障造成的大量风电机组设备的损坏原因进行了探讨，以便通过具体的实例引起对风场高压侧电网稳定性的重视。

缺相故障；故障录波；瞬时尖峰电压；器件烧毁

0 引言

随着风电机组装机及并网数量的快速增长，截至2012年年底，我国风电发电量已约占全部电力消费量的2%，风电已经成为继火电、水电之后的第三大常规电力来源。同时，由于风电占比的增加而导致的风电消纳问题也越来越受到重视，但关注的重点多集中在风电消纳问题对电网的负面影响。实际上，风场每年因高压送出线路或设备故障造成的风电机组设备损坏事故频繁发生，造成了很大的经济损失[1]。所以，为保证风电设备的平稳、安全运行，应高度重视电网的不稳定性或故障对风电机组造成破坏性影响。

风电机组的运行环境往往条件恶劣，高温发热、油水脏污、灰尘以及交变的电磁干扰等都很常见，如果再叠加上风能输送线路的故障影响，很容易导致风电机组电气设备故障或损坏，甚至引起机械系统的连锁故障反应[2-3]。由于双馈感应发电机（Doubly-fed Induction Generator，DFIG）定子直接连接电网且变流器容量较小，使其对电网故障非常敏感[4]。电网故障时，DFIG转子中的感应电流幅值可达额定电流的2-5倍[5]，若其两端电压过高或过电流导致温度过高，都可能导致开关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏；若转子侧变换器会因过电流而停止运行，转矩失衡会使转速急剧上升而威胁机械结构的安全。文中对黑龙江某风场发生的110kV线路缺相故障进行了分析，讨论了故障期间电网侧、风场及机组侧的演变过程，对故障造成的大量风电机组设备损坏的原因进行了总结，希望通过具体的实例引起对风场高压侧电网稳定性的重视。

1 案例项目背景

用于分析的故障案例来源于黑龙江某风电场。该风电场总装机容量99MW，分两期工程建设完成，每期工程各选用33台1.5MW双馈风电机组，全风场共有6路35kV集电回路，所有风电机组通过0.69/35kV升压变分别接入6路35kV集电线路。该风场建有110/35kV升压站1座，站内装有2台主变，35kV母线分成2段并列运行，整个风场通过1回110kV线路并入电网。风场单线系统图如图1所示。

2 网侧故障及其引起的双馈风电机组事故

风电机组在运行过程中遭遇电网故障，功率无法送入电网或电压畸变导致功率直流侧和输出侧电压升高或者不对称、发电机在运行过程中由于负载突变产生过高的冲击电流、发电机及传输电缆绝缘老化导致匝间或相间短路形成短路电流等，如最终超过元件的耐受限度，都会造成风电机组部件的损坏。下面以该风电场在2013年2月1日所发生的一次电网电压跌落故障为例，介绍高压电网侧故障对该风场风电机组的影响。9时56分，风电场升压站的110kV送出线路发生故障引起失压。发生故障时，风场的66台风电机组均处于运行状态，一期风场的平均风速为9.6m/s，主变低压侧有功负荷为39200kWh；二期风场的平均风速为10.3m/s，主变低压侧有功负荷为41200kWh。

故障所造成影响及损失如下：

（1）66台风电机组齿箱油泵电机空开、发电机风扇空开、液压站空开全部跳闸；

（2）烧坏8个变桨控制器PITCHMASTER；

（3）2个塔底屏损坏；

图1 黑龙江某风电场接线图

（4）2个油泵电机损坏；

（5）2个变桨系统预充电电阻烧坏；

（6）5个发电机风扇电机烧坏；

（7）4台PLC CF卡程序紊乱；

（8）4台变桨编码器出现跑值；

（9）1个帕克液压站叶轮刹车开电磁阀损坏；

（10）66台主控PLC全部死机；

（11） 2个主控PLC损坏12个、一个PLC模块bk3150损坏。

3 双馈风电机组事故原因分析

下面采用故障后分析方法，根据现场升压站系统侧的故障录波装置和风电机组故障数据，全面分析故障过程中各系统的动态过程。除特殊说明外，以下所有电压、电流量的数值均为系统二次侧的测量值。

3.1 电网侧故障过程分析

图2列出了首次故障中110kV线路的故障录波数据。C相电压最低值出现在红色纵线标记的时刻，该风电场发生首次网侧故障时，110kV线路出现C相电压缺失（4%Ue），如图2中位于0时刻的母线3Uc信号所示。故障期间的C相电流为5A左右，故障持续65ms后，线路保护动作跳开三相线路，如图2中的绿色纵线所示。保护跳开时线路出现零序电流且大小等于C相电流（2A左右），说明当时C相一直处于虚接状态。故障300ms后电流降为0A，在此期间高于120%Ue电压大约持续60ms。

图2 首次故障时110kV线路的录波图

图3 二次故障时110kV线路的录波图

首次故障发生53s后，110kV线路三相重合闸，C相再次出现失压，约37%Ue，之后的录波图未显示线路开关是否跳开，如图3所示。C相电压最低值出现在红色纵线的时刻，二次故障之前80ms时刻开始出现C相电压缺失，跌落至54%Ue，之后C相电压开始逐渐升高，其中高于110%Ue的电压持续45ms，高于150%Ue的电压持续30ms，且瞬时值达到200%Ue。从故障前18ms到故障时刻电压持续走低，电压最低点为40% Ue。三相开关于9时58分合闸，如绿色纵线标记的时刻，其中A、B相开关顺利闭合，但C相开关由于永久性故障此时已经无法再次闭合，且线路中出现零序电流。故障后150ms三相电压有效值恢复到正常，但C相电压波形受故障影响而严重畸变，畸变一直持续到9时59分。在此期间，C相电压瞬间最高电压达到117%Ue。二次故障过程中35kV侧的录波情况如图4所示。

3.2 风电场及风电机组侧故障过程分析

系统首次故障（9时56分左右）主要体现为系统110kV 线路C相电压低，该故障经过风电场主变及风电机组箱变两级相角转换后，转换为风电机组侧的B相故障，从表1中的风电机组主控故障数据看出，故障时B相电压跌落至52.8V，约13%Ue。

图4 二次故障时35kV线路的录波图

表1 风电机组主控PLC故障采样数据

图5 风电机组故障FTP记录文件截屏

图6 三相重合后现场风电机组侧故障记录波形

改变电机的定转子电阻、电感是抑制在电网故障条件对风电机组冲击危害的有效方法。因此，在发生电网故障时，双馈发电机一般通过控制变流器抑制由于电压跌落引起的瞬态冲击，以及由此引起的转矩失衡、转速上升，并在直流电压超过设定值时投入转子Crowbar电路效抑制暂态故障电流的大部分交流分量，保证机组不脱网运行。下面通过查看风电机组故障记录检查该风场的风电机组在故障过程中是否检测到网侧故障并正确动作。风电机组故障记录以日志文件形式存储于FTP服务器，图5为线路缺相故障期间，记录风电机组故障的FTP文件的内容截屏，可以看出变流器检测到系统电压低并向主控发出低穿信号，包括：变流器故障（error_converter_status）、变流器报警（warning_converter_ status）、变流器转矩降低（warning_converter_torque_reduction）、变流器低压穿越报警（warning_converter_low_voltage_for_ride_ through）。同时，主控控制风电机组执行停机过程，发出的信号包括变流器切出（error_converter_tripped）和变流器停止运行（error_converter_rdyon）。图5中其他的开关信号未报情况异常。

风电机组故障记录文件的内容说明，风电机组在低穿过程中均正确动作，保证了变流器部件在高压侧故障期间的电气安全，不存在因误动作或漏动作造成其他器件烧毁的可能。

首次故障53s后110kV线路三相重合，在9时57分左右电压出现高值，系统侧最高电压瞬时达到200%Ue，而从现场提取的风电机组侧故障数据显示，B相的电压在重合闸后瞬间升高到为450V，约为1.13倍的Ue，如图6所示。

由于升压站系统侧的故障录波装置和风电机组监测系统的时间不同步，所以图中显示的故障发生时间是在9时47分。从图6中看出，故障时风电机组侧感受到的冲击电压值远高于主控的采样数据，其主要原因是主控的采样频率远远低于系统侧故障录波器。电压升高的主要原因是不对称引起的电压严重畸变导致出现瞬时尖峰电压，幅值高150%Ue，并且持续30ms，瞬时电压峰值达到200%Ue，这也是导致风电机组大量电气元器件损坏的原因。此次电压冲击后系统再未出现高电压，最高瞬时电压仅为117% Ue，且时间较短，在这种电压下可能也会对风电机组电气元件产生一定影响，但不是造成大量电气元件烧毁的主要原因。

4 结论

综合近年来全国各地多数风电场的运行情况，风场高压送出线路发生缺相、接地、短路等故障时有发生，其中主要原因有以下几方面：

（1）与我国风电场选址在电网中的位置有关，风场一般都位于电网较为薄弱、保护配置较低的地方；

（2）很多风场位于丘陵、山区，并且该类区域风力较大，容易发生电网侧架空线路故障；

（3）有些风场建设期不合理，存在赶工现象，忽视了工程质量；

（4）部分电力线路设计单位缺少风电场设计经验，针对特殊条件考虑不周。

电网侧发生故障后，多数会对风场电气设备造成非常大的破坏，造成极大的经济损失，为了避免或减少此类事故的发生，建议加强以下几方面的工作：

（1）加强对风场送出线路设计、施工、安装及产品质量的全面监管；

（2）针对自然环境条件恶劣地区，应增加线路巡检频次；

（3）总升压站必须装设并保证故障录波数据正常，以便事故分析和后评估；

（4）加强总升压站内电气设备的运维和监控；

（5）风电机组设备厂家应针对风电的特殊性，提高主要电气元器件的电网适应性，风电机组从设计之初应综合考虑其整体的电压承受能力，尤其是承受电压畸变所导致的短时尖峰电压。

总之，一方面需要加强预防性管理，另一方面要加强设备的电网适应能力。只有充分认识电网故障的危害性，才能将电网故障对风电机组设备的破坏性影响和损失降到最低。

[1] 代贤中, 石一辉, 鲁宗相, 等. 大规模风电接入对江苏电网安全稳定性的影响[J]. 中国电力, 2011, 44(6): 42-47．

[2] 蔡帜, 刘建政, 梅红明, 等. 双馈风力发电机在电网电压小幅骤降时的保护策略[J]. 电力系统保护与控制,2009, 37(21): 41-44．

[3] 苏傲雪, 范明天, 李仲来, 刘 伟. 计及风力发电影响的配电系统可靠性评估[J]. 2013, 41(1): 90-96.

[4] 钱艳平, 朱立贵.电源不对称对双馈风力发电机故障诊断的影响[J]. 可再生能源, 2012, 30(11): 36-41.

[5] 孟岩峰, 胡书举, 王玲玲, 许洪华. 电网故障条件下双馈机组运行特性分析及其协调控制[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(8): 107-114.

Analysis of Impact on Doubly-fed Induction Generators Caused by Failures of 110kV Transmission Line

Zha Xianbao
(Beijing Guodian Star Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100039, China)

With the rapid development of wind energy and the subsequent energy consumption issue, the impacts of wind power on the grid are concentrated more, but the effects caused by grid instability and failures of the wind turbines, which are actually potential hazards to the generator's operation, are often ignored. By analyzing an stator phase failure on a 110kV transmission line occurred in a wind farm of Heilongjiang, wind turbine damages caused by the grid failure are depicted and analyzed in order to draw attention to the stability of the high voltage grid connected with a wind farm.

stator phase failure; fault recording; transient peak voltage; device burnout

TM614

A

1674-9219(2013)08-0080-07

2013-06-20。

查显宝（1972-），男，本科，工程师，长期从事风电运维技术研究工作。