东马坊风电场故障分析及策略研究

米晓东++张建平++闫广华

摘 要：该文对华能宁武东马坊风电场自2013年7月以来的几次风机故障停机事故进行研究，通过理论分析和仿真计算得到电网侧17次和19次谐波含量高是造成此类停机事故的根本原因，并提出解决此类问题的策略。

关键词：东马坊风电场 风机故障 谐波

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0027-01

华能宁武东马坊风电场地处山区，建有华锐1.5 MW（主控制系统：Bachmann，变桨系统：KEB，发电机变频器：美国超导PM3000 W）风电机组66台，总装机容量达99 MW。

2013年7月，风机故障停机总计8台次，累计损失备件350A保险14个，125A保险12个，1欧滤波电阻15个；累计故障停机时间6.5 h；累计损失电量0.048万 kWh。2013年10月，该风电场先后多次出现滤波电阻烧毁导致大面积风机故障停机事故，损失惨重。

该文将分析东马坊风电场风机故障停机事故的原因，并根据风电场的实际情况，提出解决此问题的策略。

1 风机故障停机原因分析

通过分析风机故障停机时故障录器记录的110 kV和35 kV电压波形、谐波频谱以及1#主变110 kV侧和35 kV侧电流波形、谐波频谱，以上波形均存在畸变的问题，特别是17、19次谐波含量较高。初步猜想风电场故障和电网侧注入谐波含量高有关。

分析电能质量监测仪采集的数据可知，虽然风机正常运行时电网侧也有17和19次谐波注入风电场，但是含量较低；风机故障时刻电网向风电场注入大量的17和19次谐波，因此得知东马坊风电场风机故障停机事故的主要原因是电网侧注入的17和19次谐波。

由东马坊风电场与东寨变电站连接线坊东线的三相和单相电流谐波频谱可得：坊东线三相电流出现不平衡，各奇次谐波含量较高，其中除5次谐波外17和19次含量最高。过量的17和19次谐波电流经坊东线注入东马坊风电场，从而引起风机故障停机。

2 谐波过电流分析

2.1 仿真分析法

在Matlab中搭建谐波电流源仿真模型，对风电机组变频器一次滤波电路的滤波特性进行分析。经变频器滤波器后电流波形有了明显的改善，大部分谐波被滤除。对电流进行FFT分析可得滤波前后各次谐波频谱分布。比较滤波前后各次谐波含有率可得：经变频器滤波电路后各次谐波含量均减少，谐波次数越高，该滤波电路对其滤除效果越好。经分析滤波后电流中的17和19次谐波含量明显减少，故可得出结论，17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。

更改滤波电路的参数，滤波效果明显不同，对于17次和19次谐波来说，变化更显著。通过理论分析和仿真得到，将原滤波电路参数，改为Ω， （或将原滤波电路中滤波电容三角形接法改为星形接法）可以滤除电网侧注入的17和19次谐波电流，可以避免因电网向风电场注入过量的17和19次谐波电流而引起的风机故障停机，可以有效的解决东马坊风电场高次谐波故障问题。

2.2 计算法

东马坊风电场的双馈异步电机主要由感应电机、背靠背变换器、Crowbar电流泄放回路和滤波回路4部分组成，其中滤波回路接在网侧变换器侧与网侧变换器并联，Crowbar电流泄放回路接在转子侧变换器侧，与转子侧变换器并联。风机正常运行时，滤波器回路主要用于滤除风机变频器产生的谐波；电网电压跌落时，转子电流突然增大，Crowbar电流泄放回路主要用于保护转子侧变换器不受影响。

如果风机变频器产生的17和19次谐波经过choke和变频器滤波电路发生谐振，则此滤波电路的传递函数可表示为：

（1）

分别带入数据，，，和，，，，得：，，故该滤波回路与电网17和19次电流发生谐振对应的电网侧电感分别为：，。经过计算网侧690 V/35 kV的变压器电感大小为0.0605 mH，与谐振电感存在较大差距，即使加上线路电感也不足以达到谐振电感下限，所以电网侧17和19次谐波不会与滤波电路发生串联谐振。

但是考虑到风机网侧变换器串联choke（0.4 mH），其与0.421 mH相差不多，故风机工作在超同步运行状态时，风机定子和转子均向电网输出能量，此时choke中流过的19次谐波电流可能会与滤波电路发生串联谐振，从而引起滤波电阻烧毁。但东马坊风电场风机故障停机均发生在风机启动阶段，此阶段风机工作于亚同步运行状态，电网通过背靠背变换器向转子侧传递能量，因此因滤波电阻烧毁而导致的风机故障停机并非因为choke中的19次谐波电流和滤波回路发生串联谐振所致。

通过以上分析可得：东马坊风电场风机故障停机并不是因为电网侧注入的17和19次谐波电流在滤波电路中发生串联谐振所致，考虑到风电场110 kV和35 kV侧17和19次谐波含量本身就很高，故滤波电阻烧毁是因为电网侧较大的17和19次谐波电流注入滤波电路，从而引起滤波电阻发热导致温度过高而烧毁。

3 风机故障停机事故解决方案

针对东马坊风电场滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故，提出解决方案如下：（1）通过减小滤波电阻的阻值从而提高滤波电阻承受电流的能力，从而避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（2）通过修改滤波电路中滤波电容的参数（将改为），从而降低滤波电路的截止频率，滤除电网侧注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（3）采用质量优良的硅胶涂抹于滤波电阻散热面，从而提高滤波电阻的散热能力，避免因滤波电阻温升过高以致烧毁引起的风机故障停机事故。（4）通过改善风机背靠背变换器的控制策略使其能够滤除电网注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。

4 结语

经过分析故障录器和电能质量监测仪采集到的数据可得，电网侧17和19次谐波含量高是造成华能宁武东马坊风电场发生风机故障停机事故的根本原因，进一步分析得到17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。精确计算得到，当电网110 kV侧17和19次谐波含量超过2%，风电场风速达到风机切入风速风机启动时，风机滤波回路中的滤波电阻烧毁从而导致风机故障停机。变频器、电弧炉、轧钢机、电力机车等非线性负荷都是电网侧谐波的主要来源，确切找出17和19次谐波来源并从根源上治理是下一步必要的工作。

参考文献

[1] 韩肖清，张健，张友民，等.风电场谐波分析与计算[J].太原理工大学学报，2009（5）.

[2] 马艺玮，陈渊睿，曾君.风电场电能质量分析与评估[J].控制理论与应用，2008（2）.endprint

摘 要：该文对华能宁武东马坊风电场自2013年7月以来的几次风机故障停机事故进行研究，通过理论分析和仿真计算得到电网侧17次和19次谐波含量高是造成此类停机事故的根本原因，并提出解决此类问题的策略。

关键词：东马坊风电场 风机故障 谐波

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0027-01

华能宁武东马坊风电场地处山区，建有华锐1.5 MW（主控制系统：Bachmann，变桨系统：KEB，发电机变频器：美国超导PM3000 W）风电机组66台，总装机容量达99 MW。

2013年7月，风机故障停机总计8台次，累计损失备件350A保险14个，125A保险12个，1欧滤波电阻15个；累计故障停机时间6.5 h；累计损失电量0.048万 kWh。2013年10月，该风电场先后多次出现滤波电阻烧毁导致大面积风机故障停机事故，损失惨重。

该文将分析东马坊风电场风机故障停机事故的原因，并根据风电场的实际情况，提出解决此问题的策略。

1 风机故障停机原因分析

通过分析风机故障停机时故障录器记录的110 kV和35 kV电压波形、谐波频谱以及1#主变110 kV侧和35 kV侧电流波形、谐波频谱，以上波形均存在畸变的问题，特别是17、19次谐波含量较高。初步猜想风电场故障和电网侧注入谐波含量高有关。

分析电能质量监测仪采集的数据可知，虽然风机正常运行时电网侧也有17和19次谐波注入风电场，但是含量较低；风机故障时刻电网向风电场注入大量的17和19次谐波，因此得知东马坊风电场风机故障停机事故的主要原因是电网侧注入的17和19次谐波。

由东马坊风电场与东寨变电站连接线坊东线的三相和单相电流谐波频谱可得：坊东线三相电流出现不平衡，各奇次谐波含量较高，其中除5次谐波外17和19次含量最高。过量的17和19次谐波电流经坊东线注入东马坊风电场，从而引起风机故障停机。

2 谐波过电流分析

2.1 仿真分析法

在Matlab中搭建谐波电流源仿真模型，对风电机组变频器一次滤波电路的滤波特性进行分析。经变频器滤波器后电流波形有了明显的改善，大部分谐波被滤除。对电流进行FFT分析可得滤波前后各次谐波频谱分布。比较滤波前后各次谐波含有率可得：经变频器滤波电路后各次谐波含量均减少，谐波次数越高，该滤波电路对其滤除效果越好。经分析滤波后电流中的17和19次谐波含量明显减少，故可得出结论，17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。

更改滤波电路的参数，滤波效果明显不同，对于17次和19次谐波来说，变化更显著。通过理论分析和仿真得到，将原滤波电路参数，改为Ω， （或将原滤波电路中滤波电容三角形接法改为星形接法）可以滤除电网侧注入的17和19次谐波电流，可以避免因电网向风电场注入过量的17和19次谐波电流而引起的风机故障停机，可以有效的解决东马坊风电场高次谐波故障问题。

2.2 计算法

东马坊风电场的双馈异步电机主要由感应电机、背靠背变换器、Crowbar电流泄放回路和滤波回路4部分组成，其中滤波回路接在网侧变换器侧与网侧变换器并联，Crowbar电流泄放回路接在转子侧变换器侧，与转子侧变换器并联。风机正常运行时，滤波器回路主要用于滤除风机变频器产生的谐波；电网电压跌落时，转子电流突然增大，Crowbar电流泄放回路主要用于保护转子侧变换器不受影响。

如果风机变频器产生的17和19次谐波经过choke和变频器滤波电路发生谐振，则此滤波电路的传递函数可表示为：

（1）

分别带入数据，，，和，，，，得：，，故该滤波回路与电网17和19次电流发生谐振对应的电网侧电感分别为：，。经过计算网侧690 V/35 kV的变压器电感大小为0.0605 mH，与谐振电感存在较大差距，即使加上线路电感也不足以达到谐振电感下限，所以电网侧17和19次谐波不会与滤波电路发生串联谐振。

但是考虑到风机网侧变换器串联choke（0.4 mH），其与0.421 mH相差不多，故风机工作在超同步运行状态时，风机定子和转子均向电网输出能量，此时choke中流过的19次谐波电流可能会与滤波电路发生串联谐振，从而引起滤波电阻烧毁。但东马坊风电场风机故障停机均发生在风机启动阶段，此阶段风机工作于亚同步运行状态，电网通过背靠背变换器向转子侧传递能量，因此因滤波电阻烧毁而导致的风机故障停机并非因为choke中的19次谐波电流和滤波回路发生串联谐振所致。

通过以上分析可得：东马坊风电场风机故障停机并不是因为电网侧注入的17和19次谐波电流在滤波电路中发生串联谐振所致，考虑到风电场110 kV和35 kV侧17和19次谐波含量本身就很高，故滤波电阻烧毁是因为电网侧较大的17和19次谐波电流注入滤波电路，从而引起滤波电阻发热导致温度过高而烧毁。

3 风机故障停机事故解决方案

针对东马坊风电场滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故，提出解决方案如下：（1）通过减小滤波电阻的阻值从而提高滤波电阻承受电流的能力，从而避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（2）通过修改滤波电路中滤波电容的参数（将改为），从而降低滤波电路的截止频率，滤除电网侧注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（3）采用质量优良的硅胶涂抹于滤波电阻散热面，从而提高滤波电阻的散热能力，避免因滤波电阻温升过高以致烧毁引起的风机故障停机事故。（4）通过改善风机背靠背变换器的控制策略使其能够滤除电网注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。

4 结语

经过分析故障录器和电能质量监测仪采集到的数据可得，电网侧17和19次谐波含量高是造成华能宁武东马坊风电场发生风机故障停机事故的根本原因，进一步分析得到17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。精确计算得到，当电网110 kV侧17和19次谐波含量超过2%，风电场风速达到风机切入风速风机启动时，风机滤波回路中的滤波电阻烧毁从而导致风机故障停机。变频器、电弧炉、轧钢机、电力机车等非线性负荷都是电网侧谐波的主要来源，确切找出17和19次谐波来源并从根源上治理是下一步必要的工作。

参考文献

[1] 韩肖清，张健，张友民，等.风电场谐波分析与计算[J].太原理工大学学报，2009（5）.

[2] 马艺玮，陈渊睿，曾君.风电场电能质量分析与评估[J].控制理论与应用，2008（2）.endprint

摘 要：该文对华能宁武东马坊风电场自2013年7月以来的几次风机故障停机事故进行研究，通过理论分析和仿真计算得到电网侧17次和19次谐波含量高是造成此类停机事故的根本原因，并提出解决此类问题的策略。

关键词：东马坊风电场 风机故障 谐波

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（c）-0027-01

华能宁武东马坊风电场地处山区，建有华锐1.5 MW（主控制系统：Bachmann，变桨系统：KEB，发电机变频器：美国超导PM3000 W）风电机组66台，总装机容量达99 MW。

2013年7月，风机故障停机总计8台次，累计损失备件350A保险14个，125A保险12个，1欧滤波电阻15个；累计故障停机时间6.5 h；累计损失电量0.048万 kWh。2013年10月，该风电场先后多次出现滤波电阻烧毁导致大面积风机故障停机事故，损失惨重。

该文将分析东马坊风电场风机故障停机事故的原因，并根据风电场的实际情况，提出解决此问题的策略。

1 风机故障停机原因分析

通过分析风机故障停机时故障录器记录的110 kV和35 kV电压波形、谐波频谱以及1#主变110 kV侧和35 kV侧电流波形、谐波频谱，以上波形均存在畸变的问题，特别是17、19次谐波含量较高。初步猜想风电场故障和电网侧注入谐波含量高有关。

分析电能质量监测仪采集的数据可知，虽然风机正常运行时电网侧也有17和19次谐波注入风电场，但是含量较低；风机故障时刻电网向风电场注入大量的17和19次谐波，因此得知东马坊风电场风机故障停机事故的主要原因是电网侧注入的17和19次谐波。

由东马坊风电场与东寨变电站连接线坊东线的三相和单相电流谐波频谱可得：坊东线三相电流出现不平衡，各奇次谐波含量较高，其中除5次谐波外17和19次含量最高。过量的17和19次谐波电流经坊东线注入东马坊风电场，从而引起风机故障停机。

2 谐波过电流分析

2.1 仿真分析法

在Matlab中搭建谐波电流源仿真模型，对风电机组变频器一次滤波电路的滤波特性进行分析。经变频器滤波器后电流波形有了明显的改善，大部分谐波被滤除。对电流进行FFT分析可得滤波前后各次谐波频谱分布。比较滤波前后各次谐波含有率可得：经变频器滤波电路后各次谐波含量均减少，谐波次数越高，该滤波电路对其滤除效果越好。经分析滤波后电流中的17和19次谐波含量明显减少，故可得出结论，17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。

更改滤波电路的参数，滤波效果明显不同，对于17次和19次谐波来说，变化更显著。通过理论分析和仿真得到，将原滤波电路参数，改为Ω， （或将原滤波电路中滤波电容三角形接法改为星形接法）可以滤除电网侧注入的17和19次谐波电流，可以避免因电网向风电场注入过量的17和19次谐波电流而引起的风机故障停机，可以有效的解决东马坊风电场高次谐波故障问题。

2.2 计算法

东马坊风电场的双馈异步电机主要由感应电机、背靠背变换器、Crowbar电流泄放回路和滤波回路4部分组成，其中滤波回路接在网侧变换器侧与网侧变换器并联，Crowbar电流泄放回路接在转子侧变换器侧，与转子侧变换器并联。风机正常运行时，滤波器回路主要用于滤除风机变频器产生的谐波；电网电压跌落时，转子电流突然增大，Crowbar电流泄放回路主要用于保护转子侧变换器不受影响。

如果风机变频器产生的17和19次谐波经过choke和变频器滤波电路发生谐振，则此滤波电路的传递函数可表示为：

（1）

分别带入数据，，，和，，，，得：，，故该滤波回路与电网17和19次电流发生谐振对应的电网侧电感分别为：，。经过计算网侧690 V/35 kV的变压器电感大小为0.0605 mH，与谐振电感存在较大差距，即使加上线路电感也不足以达到谐振电感下限，所以电网侧17和19次谐波不会与滤波电路发生串联谐振。

但是考虑到风机网侧变换器串联choke（0.4 mH），其与0.421 mH相差不多，故风机工作在超同步运行状态时，风机定子和转子均向电网输出能量，此时choke中流过的19次谐波电流可能会与滤波电路发生串联谐振，从而引起滤波电阻烧毁。但东马坊风电场风机故障停机均发生在风机启动阶段，此阶段风机工作于亚同步运行状态，电网通过背靠背变换器向转子侧传递能量，因此因滤波电阻烧毁而导致的风机故障停机并非因为choke中的19次谐波电流和滤波回路发生串联谐振所致。

通过以上分析可得：东马坊风电场风机故障停机并不是因为电网侧注入的17和19次谐波电流在滤波电路中发生串联谐振所致，考虑到风电场110 kV和35 kV侧17和19次谐波含量本身就很高，故滤波电阻烧毁是因为电网侧较大的17和19次谐波电流注入滤波电路，从而引起滤波电阻发热导致温度过高而烧毁。

3 风机故障停机事故解决方案

针对东马坊风电场滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故，提出解决方案如下：（1）通过减小滤波电阻的阻值从而提高滤波电阻承受电流的能力，从而避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（2）通过修改滤波电路中滤波电容的参数（将改为），从而降低滤波电路的截止频率，滤除电网侧注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。（3）采用质量优良的硅胶涂抹于滤波电阻散热面，从而提高滤波电阻的散热能力，避免因滤波电阻温升过高以致烧毁引起的风机故障停机事故。（4）通过改善风机背靠背变换器的控制策略使其能够滤除电网注入的17和19次谐波，从而消除电网侧17和19次谐波的影响，避免因滤波电阻烧毁引起的风机故障停机事故。

4 结语

经过分析故障录器和电能质量监测仪采集到的数据可得，电网侧17和19次谐波含量高是造成华能宁武东马坊风电场发生风机故障停机事故的根本原因，进一步分析得到17和19次谐波没有在变频器滤波电路中发生谐振现象。精确计算得到，当电网110 kV侧17和19次谐波含量超过2%，风电场风速达到风机切入风速风机启动时，风机滤波回路中的滤波电阻烧毁从而导致风机故障停机。变频器、电弧炉、轧钢机、电力机车等非线性负荷都是电网侧谐波的主要来源，确切找出17和19次谐波来源并从根源上治理是下一步必要的工作。

参考文献

[1] 韩肖清，张健，张友民，等.风电场谐波分析与计算[J].太原理工大学学报，2009（5）.

[2] 马艺玮，陈渊睿，曾君.风电场电能质量分析与评估[J].控制理论与应用，2008（2）.endprint