可变速水轮发电机组低电压穿越的研究

高 超，于晓慧

（1. 哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150040；2. 哈尔滨东安机电制造有限责任公司，哈尔滨 150066）

前言

新疆人民电站3号机组为6.5MW可变速水轮发电机组，此机组为目前国内首台可变速水轮发电机组。自2010年4月投入运行后，机组出现多次甩负荷故障。经过一段时间的实地观察和分析，发现每次机组甩负荷时交流励磁装置都会报转子侧过流和直流母线过压故障，并发现中央监控系统的故障列表顺序是先转子侧过流，后并网断路器跳闸。由此推断为电网电压跌落造成双馈发电机转子过流，进而引起交流励磁装置转子侧过流和直流母线过压，最后造成机组甩负荷故障。3号机组示意图如图1所示。

1 人民电站电网质量测试

1.1 电网电压有效值实时监测

为了进一步验证非正常甩负荷是由电网电压跌落造成的，实地测试人民电站电网质量。测试时间共计66小时 42分（2011年 04月 28日 15：10：46～2011年05月01日09：52：30），在测试期间交流励磁装置共发生4次带载脱网现象，其中两次为系统脱网后，并网后加载过程中再次发生带载脱网，发生脱网时刻分别为2011年4月30日00：31：02，00：51：54，15：02：31，15：17：29。图 2为部分监测波形，由监测波形可知：电网电压存在频繁性突变和跌落现象，并且电网电压跌落后，机组随即发生甩负荷故障，可以确切证实是电网电压跌落造成机组出现非正常甩负荷故障。

图1 可变速机组示意图

1.2 电网电压跌落分析

图2 电网电压实时监测图

2011年4月30日15：02：31电压跌落电网三相电压分别由 659.3V、662.5V、669.0V 瞬间跌落至575.0V、478.5V、478.5VD跌落持续时间为80ms。2011年4月30日15：17：29电压跌落电网电压分别由623.3V、622.4V、629.1V以 75V/s的速度递减至556.9V，557.0V、563.7V、持续时间为390ms。

1.3 通过对波形的分析得出结论

表1 电网质量的测试数据

2 3号机组非正常甩负荷故障分析及解决方案

2.1 3号机组非正常甩负荷故障分析

在电网电压跌落情况下，可变速机组中的双馈发电机会导致转子侧过流，同时转子侧电流的迅速增加会导致转子交流励磁装置直流母线电压升高，引起发电机交流励磁装置过电流和过电压保护，导致发电机与电网解列。这是因为双馈发电机在电网电压瞬间跌落的情况下，定子磁链不能跟随定子端电压突变，从而定子磁链会产生直流分量和负序分量，定子磁链几乎保持静止，而转子磁链继续旋转，会产生较大的滑差，这样便会引起转子绕组的过压、过流。因而进入转子保护状态是正确的，否则将会把发电机转子烧毁。

2.2 3号机组非正常甩负荷故障解决方案

根据以上3号机组甩负荷故障分析，双馈发电机定子磁链的直流分量和负序分量决定了在甩负荷故障期间转子产生的反电动势。通过对反电动势的限制来限制转子电流，主要思路如下：（1）利用转子电压来减弱定子磁链中的直流和负序分量的作用；（2）对转子电流进行定向，使得转子电流能够抵消转子磁链中一部分直流和负序分量。以上是改进控制策略减弱直流分量和负序分量的暂态响应。能量守恒角度分析，电网发生低电压穿越故障时，发电机端电压比正常工况低，意味着系统无法正常向电网输送电能。同时，由于机组的惯性很大，导水机构在很短时间内能调节的范围有限，于是捕获的水能将有一部分过剩，单纯靠控制策略的改进将很难实现低电压穿越，需增加硬件辅助电路，即Crowbar电路。根据精确的双馈发电机和交流励磁装置的仿真模型，输入准确的发电机以及交流励磁装置参数，改进限制转子反电动势的控制策略，增加Crowbar电路，进行仿真计算, 仿真模型如图3所示。

图3 仿真模型框图

3 仿真分析

以下为极限工况的仿真波形，分别为三相电网相电压和三相馈入电网相电流。工况：满载，三相电压跌落至20%。

图4 故障穿越测试波形

图4是电压跌落到 20%左右，持续时间大概为625ms的三相电网故障。在发生故障以后，由于电网的瞬间跌落产生了最大峰值冲击电流未达到 3000A，在IGBT以及Crowbar模块承受范围之内。该电流在维持了一个波头后迅速衰减，在经过大概100ms以后衰减到零，系统会根据电网电压的大小进行无功电流支撑，其大小等于电网电压跌落幅度的两倍，即Ireact= 2×ΔU×IN，其中ΔU为电压跌落幅度百分比，IN为系统额定电流。无功电流输出最大为100%IN，而有功电流则输出为0。而在此次电网跌落中，由于电网跌落程度较深，无功电流输出达到了100%IN。在电网故障恢复以后，系统输出电流迅速减到 0，在经历了500ms后，系统重新向电网输入有功功率，并且达到跌落前的水平。说明系统成功进行了低电压穿越，没有出现脱网故障。

4 结论

本文针对新疆人民电站3号机组的频繁甩负荷故障进行了分析和现场电网质量实测，得出甩负荷故障是由电网电压大幅跌落引起的结论。并对电网电压跌落引起双馈发电机转子过流的过程进行了详细的理论分析，提出的限制转子反电动势的控制策略和增加Crowbar电路的解决方案。根据仿真结果，在电网电压跌落到额定电压20%左右、持续时间大概为625ms的工况下，系统都能成功地进行低压穿越；对人民电站电网电压的跌落到额定电压 80%左右、持续时间为390ms的工况，系统是完全可以实现低电压穿越，并且完全满足国标的低压穿越要求。

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