发电机故障引起的双馈风力发电机组低电压穿越研究

陈昆明

上海电气风电集团有限公司 上海 200241

为使电网运行稳定，要求接入的风力发电机组具备低电压穿越功能，即要求当风电场并网点电压跌落，且跌落一定范围内时，风机不脱网运行。因此，风机需要增加一系列软硬件以实现低电压穿越功能。

如图1所示，风场并网点位于风电场升压站高压侧母线或节点，并非单台风机并网点。由于风场并网点短路容量远大于单台风机并网点短路容量，风场并网点电压跌落必然会引起单台风机并网点电压跌落。但是，单台风机并网点电压跌落不一定会引起风场并网点同比例电压跌落。风机变流器电网电压检测点位于单台风机并网点，该点电压跌落可能由电网线路(风场并网点及前级高压电网)短路引起，也可能由风机发电机内部短路引起。由于变流器只能检测单台风机并网点电压，因此，即使有电压跌落也无法判断是电网线路短路还是发电机内部定子短路。如果电压跌落由发电机内部定子短路引起，变流器仍因低电压穿越功能不脱网控制，会引起机组重大事故，甚至起火，损失将相当严重。

基于风电场实际运行案例，依据低电压穿越相关标准，对比电网故障和发电机故障两种情况引起电压跌落时变流器的运行数据，研究提出针对由发电机故障引起的低电压穿越机组保护功能，进而优化机组安全控制策略。

图1 风机并网结构图

1 低电压穿越的标准要求

1.1 Q/GDW 392—2009[1]

风电场内的风电机组在并网点电压跌至20%Un(额定电压)时，能够保证不脱网连续运行625ms。风电场并网点电压在发生跌落后2s内能恢复到90%Un，进而保证风电场内的风电机组不脱网连续运行。

对于电网发生不同类型故障的情况，风电场低电压穿越的要求如下： 当电网发生三相短路故障、两相短路故障、单相短路故障引起并网点电压跌落时，若风电场并网点各线电压在图2中电压轮廓线及以上的区域内，则风电场内风电机组必须保证不脱网连续运行；若风电场并网点任意一线电压低于或部分低于图2中电压轮廓线，则风电场内风电机组允许从电网中切出。

图2 风电场低电压穿越要求

对电网故障期间没有切出电网的风电场，其有功功率在故障消除后应尽快恢复，以不小于每秒10%Pn(额定功率)的速率恢复至故障前的值。

1.2 GB/T 19963—2011[2]

GB/T 19963—2011在Q/GDW 392—2009低电压穿越要求的基础上，增加了动态无功支撑能力要求。对于总装机容量在1GW以上的风电场内风电机组，在低电压穿越过程中变流器应具有下列动态无功支撑能力： 电力系统发生三相短路故障引起电压跌落，当风电场并网点电压处于(20%～90%)Un区间内时，变流器通过注入无功电流支撑电压恢复；自电压跌落出现的时刻起，该动态无功电流控制的响应时间不长于75ms，并能持续550ms。

变流器注入电力系统的动态无功电流为： 1.5×(0.9-UT)In，其中In为风电场的额定电流，UT为故障期间并网点电压标幺值，且0.2≤UT≤0.9。

由此可见，低电压穿越功能不仅要求电压跌落时风机不脱网运行，同时在穿越期间要提供无功支持，帮助恢复电网电压。

2 风机低电压穿越功能的实现

风机实现低电压穿越功能，首先要重点解决低电压检测问题，快速有效检测低电压事件是风机能够完成低电压穿越的先导条件。在风机进入低电压穿越状态后，主要由变流器和主控系统两个关键部件主导控制，使机组无故障不脱网，并按GB/T 19963—2011要求实现低电压穿越。

2.1 低电压检测方法

电网电压检测有多种方法[3]，针对存在不平衡电压跌落的风机，一般采用三相电压dq分解法，将采集的a、b、c三相电压变换到dq轴表达式：

[ud,uq]=C[ua,ub,uc]T

(1)

三相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换矩阵为：

(2)

式中： sin(ωt)和cos(ωt)为与变换前a相电压同相位的正余弦信号；ω为a相电压角频率。

将对称的三相电网电压表示为：

(3)

式中：U为线电压有效值。

经过dq变换后的电压为：

(4)

三相对称电压在旋转dq轴系下，d轴电压变化可以判断电网电压是否跌落；当出现不平衡跌落时，q轴分量不再为0，通过q轴变化可以判断不平衡跌落程度。

2.2 主控系统控制策略

主控系统与变流器配合，共同完成机组低电压穿越。当变流器检测到低电压时，会进入低电压穿越控制模式，同时将低电压穿越信号传输至主控系统。主控系统也会对电压进行监控，当检测到低电压或收到变流器信号后，同样进入低电压穿越控制模式。

主控系统需要按图2所示曲线设置低电压穿越保护，并适当留有2%的裕度。当检测到低电压后，主控系统进入低电压穿越控制模式，如果电压跌落在图2所示低电压穿越范围内，控制机组进行低电压穿越，一旦超出范围，则将对故障报警并停机。主控系统在低电压穿越控制模式下，不仅要完成一定角度的收桨，降低发电机转速，避免功率降低后的机组超速，而且要临时禁止风机的偏航电动机、冷却水泵、冷却风扇电动机、润滑电动机等非变频控制设备工作，避免低电压穿越期间运行过流。在低电压穿越电网电压恢复期间，主控系统也要以不低于每秒10%Pn的速率恢复机组有功功率，实现发电功率平稳过渡。

2.3 变流器控制策略

变流器控制发电机实现低电压穿越功能。并网期间，一旦发生电压跌落，会瞬时导致发电机定转子电流骤升且产生振荡，变流器不仅要在软件算法上进行电流抑制控制，也需要通过硬件泄放电路完成能量释放，以保护绝缘栅双极晶体管等功率器件及发电机[4]。硬件泄放电路主要包括直流母线泄放电路和转子侧泄放电路。变流器不仅需要增加直流母线泄放电路模块和转子侧泄放电路模块，而且需要增加电流监测模块、温度检测模块、不间断电源等，用于低电压穿越期间直流侧及转子侧的大电流泄放，稳定直流母线电压。

变流器直流母线泄放电路模块、转子侧泄放电路模块控制流程如图3、图4所示[5-6]。

图3 直流母线泄放电路控制流程图

图4 转子侧泄放电路控制流程图

2.4 电网故障低电压穿越过程

风机满功率并网发电期间发生三相至20%Un的电压跌落是低电压穿越中最严酷的运行工况,也是考验变流器控制和算法的典型故障，图5～图7所示为变流器低电压穿越期间典型运行数据。

图5 低电压穿越期间并网点电压波形

图6 低电压穿越期间发电机定子电流波形

图7 低电压穿越期间发电机转子电流波形

由图5～图7可以看出，突然发生电压跌落会导致发电机定转子电流瞬时突变，这是机组控制系统内部参数不能突变所致。定转子大电流如果不能立即抑制，会引起发电机和变流器过电流，导致变流器中功率器件因过电流而损坏。因此，在低电压开始瞬时，变流器需要立即停止机侧的励磁调制，并按图3、图4所示控制流程启动直流母线泄放电路和转子侧泄放电路抑制过电流。转子侧泄放电路一般投切时间在 20～30ms之间，然后迅速退出。直流母线泄放电路根据直流母线电压波动情况可能有多次投切。一旦转子侧泄放电路投切退出，变流器就可以进行转子控制，进而重新进行发电机励磁控制，稳定电流后立即进入发无功模式。

根据GB/T 19963—2011要求，从低电压穿越开始至变流器重新获得发电机励磁控制的时间不应长于 55ms，并需要在一个电压周期内完成无功支持，即低电压穿越期间无功响应时间不长于 75ms。低电压穿越开始75ms后，变流器进入低电压控制的稳态期。低电压开始625ms后，电压由20%Un逐渐向Un恢复，由于电压变化，变流器控制又进入不稳定期。如果电压恢复较快，有可能定子电流和转子电流再次产生冲击电流，重新启动直流母线泄放电路和转子侧泄放电路。由图5～图7所示波形可见，由于电压恢复平缓，并未引起直流母线泄放电路和转子侧泄放电路再次启动。当并网点电压恢复至Un时，风机以至少每秒10%Pn的速率恢复功率控制。由图6可以看出，发电机定子电流逐渐增大，机组完成一次低电压穿越过程。

3 发电机短路低电压穿越案例研究

3.1 案例分析

图8为某风电场一台风机在发电机故障后的拆解图，其内部烧毁严重，事故原因为定子无纬带散开导致发电机定转子扫膛，定子绕组相对地严重短路，短路电流未能及时分断。

由图9可以看出，短路电流在定子阻抗上产生很大压降，并引发机组并网点电压跌落。A相电压跌至660V,为68%Un，低于90%Un，从而机组进入低电压穿越模式。由于在低电压穿越控制模式下变流器不脱网运行，导致短路故障持续了近 600ms，电网电流最高达到7488A，如图10所示标记位置。发电机定子电流同样能反映过电流情况，如图11所示，定子严重过电流导致变流器电流测量值溢出，显示到测量范围的最大值(2556A)。由于风机进入低电压穿越控制模式，转子侧泄放电路达到触发条件投入，转子侧封锁脉冲，形成如图12所示的发电机转子电流波形。图13为故障时刻主控系统日志，从中可以看出机组误以为电网故障引起低电压穿越。该故障最终因变流器并网断路器过电流保护动作而跳闸，但是已经引起发电机内部严重烧毁。由于该机组变流器未对发电机短路引起的低电压穿越进行有效识别，而是继续以低电压穿越方式运行，使故障损失严重扩大，发电机定转子绕组损毁严重。

图8 发电机故障情况

图9 故障案例低电压穿越期间并网点电压波形

图10 主控系统故障记录截图

图11 故障案例低电压穿越期间发电机定子电流波形

图12 故障案例低电压穿越期间发电机转子电流波形

图13 主控系统故障日志

3.2 低电压穿越优化

通过以上案例可以发现，当发电机定子对地严重短路故障时，会引起发电机电压一定程度跌落，跌落深度超过10%Un，引起风机主控系统和变流器检测到低电压从而进入低电压穿越控制模式。由于低电压穿越期间要求风机不脱网运行，导致发电机故障进一步扩大，加重事故。因此需要研究发电机定子对地短路故障时，如何避免机组因低电压穿越功能投入而不能及时有效脱网保护的方案[7-9]。

如图14所示，对d1、d2两种短路方式进行分析，其中d1为风场35kV并网点对地短路，d2为发电机定子对地短路。由于短路位置分别位于变流器电压电流测量点两侧，当d1点短路时，变流器监测点不会检测到零序电流，而在d2点短路时，变流器能够及时检测到零序电流。

图14 不同短路点短路电流路径

目前针对定子侧电流检测通常变流器只配置两相电流互感器，鉴于以上问题，需要增加定子三相电流互感器，用以检测零序电流，进而有效识别因发电机故障引起的低电压穿越，并及时脱网保护，避免机组事故扩大。

发电机定子绕组为△/Y接线，中性点不接地，其定子电流可表示为：

ia+ib+ic+in=0

(5)

i0=-(ia+ib+ic)

(6)

式中：ia、ib、ic为发电机定子三相电流瞬时值；i0为发电机定子零序电流。

当发生对地短路时，|i0|>0，|i0|大于一定阈值后，变流器就会发出定子电流不平衡故障报警。经过试验测试，这一阈值设置为80A。

变流器根据以上方案从硬件上增加一相定子电流互感器，并在低电压穿越软件功能包中增加零序电流检测和判断功能，这样可以有效避免故障损失。这一措施已批量应用至风场中。

4 结束语

在发电机内部定子短路引起电压跌落情况下进入低电压穿越控制模式运行会严重损害机组，扩大事故。基于控制策略的研究，当发电机内部定子短路引起风机进入低电压穿越控制模式时，风机应及时检测识别并实现设备脱网，而不是继续执行低电压穿越功能。由于风力发电机组属于分布式发电设备，单机容量相比大电网容量微乎其微，且发电机短路故障发生概率较低，因此机组保护脱网不会对电网产生不利影响。

目前中国电力科学院已经完成了市场上主流风力发电机组低电压穿越功能测试认证，测试条件均为发电机正常运行，并未考虑发电机故障引起低电压穿越的情况[10]，本文研究尚属首例。

本文研究基于风电场故障案例，从低电压穿越标准要求和变流器低电压穿越原理出发，研究故障原因，并提出有效解决方案，对风机设计和风电场运行具有应用价值。

[1] 风电场接入电网技术规定： Q/GDW 392—2009[S].

[2] 风电场接入电力系统技术规定： GB/T 19963—2011[S].

[3] 胡书举,李建林，李梅.风电系统实现LVRT的电网电压跌落检测方法[J].大功率变流器技术,2008(6)： 17-21.

[4] 李春，尹正兵，张鲁华.全功率风力发电变流器的直流母线电压优化控制[J].上海电气技术，2014，7(4)： 26-30.

[5] 关宏亮,赵海翔,迟永宁,等.电力系统对并网风电机组承受低电压能力的要求[J].电网技术，2007，31(7)： 78-82.

[6] 姚骏，廖勇.基于Crowbar保护控制的交流励磁风电系统运行分析[J].电力系统自动化，2007，31(23)： 79-83.

[7] 王伟,孙明冬,朱晓东.双馈式风力发电机低电压穿越技术分析[J].电力系统自动化,2007,31(23)： 84-89.

[8] 胡家兵.双馈异步风力发电机系统电网故障穿越(不间断)运行研究——基础理论与关键技术[D].杭州： 浙江大学,2009.

[9] 赵仁德.变速恒频双馈风力发电机交流励磁电源研究[D].杭州： 浙江大学,2005.

[10] 张黎明，禹华军，朱志权.大型双馈风机LVRT功能实现原理及测试验证[J].上海电气技术，2014，7(2)： 45- 51.