東馬坊風(fēng)電場故障分析及策略研究

摘 要：該文對華能寧武東馬坊風(fēng)電場自2013年7月以來的幾次風(fēng)機故障停機事故進行研究，通過理論分析和仿真計算得到電網(wǎng)側(cè)17次和19次諧波含量高是造成此類停機事故的根本原因，并提出解決此類問題的策略。

關(guān)鍵詞：東馬坊風(fēng)電場 風(fēng)機故障 諧波

中圖分類號：TM6文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0027-01

華能寧武東馬坊風(fēng)電場地處山區(qū)，建有華銳1.5 MW（主控制系統(tǒng)：Bachmann，變槳系統(tǒng)：KEB，發(fā)電機變頻器：美國超導(dǎo)PM3000 W）風(fēng)電機組66臺，總裝機容量達99 MW。

2013年7月，風(fēng)機故障停機總計8臺次，累計損失備件350A保險14個，125A保險12個，1歐濾波電阻15個；累計故障停機時間6.5 h；累計損失電量0.048萬 kWh。2013年10月，該風(fēng)電場先后多次出現(xiàn)濾波電阻燒毀導(dǎo)致大面積風(fēng)機故障停機事故，損失慘重。

該文將分析東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機事故的原因，并根據(jù)風(fēng)電場的實際情況，提出解決此問題的策略。

1 風(fēng)機故障停機原因分析

通過分析風(fēng)機故障停機時故障錄器記錄的110 kV和35 kV電壓波形、諧波頻譜以及1#主變110 kV側(cè)和35 kV側(cè)電流波形、諧波頻譜，以上波形均存在畸變的問題，特別是17、19次諧波含量較高。初步猜想風(fēng)電場故障和電網(wǎng)側(cè)注入諧波含量高有關(guān)。

分析電能質(zhì)量監(jiān)測儀采集的數(shù)據(jù)可知，雖然風(fēng)機正常運行時電網(wǎng)側(cè)也有17和19次諧波注入風(fēng)電場，但是含量較低；風(fēng)機故障時刻電網(wǎng)向風(fēng)電場注入大量的17和19次諧波，因此得知東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機事故的主要原因是電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波。

由東馬坊風(fēng)電場與東寨變電站連接線坊東線的三相和單相電流諧波頻譜可得：坊東線三相電流出現(xiàn)不平衡，各奇次諧波含量較高，其中除5次諧波外17和19次含量最高。過量的17和19次諧波電流經(jīng)坊東線注入東馬坊風(fēng)電場，從而引起風(fēng)機故障停機。

2 諧波過電流分析

2.1 仿真分析法

在Matlab中搭建諧波電流源仿真模型，對風(fēng)電機組變頻器一次濾波電路的濾波特性進行分析。經(jīng)變頻器濾波器后電流波形有了明顯的改善，大部分諧波被濾除。對電流進行FFT分析可得濾波前后各次諧波頻譜分布。比較濾波前后各次諧波含有率可得：經(jīng)變頻器濾波電路后各次諧波含量均減少，諧波次數(shù)越高，該濾波電路對其濾除效果越好。經(jīng)分析濾波后電流中的17和19次諧波含量明顯減少，故可得出結(jié)論，17和19次諧波沒有在變頻器濾波電路中發(fā)生諧振現(xiàn)象。

更改濾波電路的參數(shù)，濾波效果明顯不同，對于17次和19次諧波來說，變化更顯著。通過理論分析和仿真得到，將原濾波電路參數(shù)，改為Ω， （或?qū)⒃瓰V波電路中濾波電容三角形接法改為星形接法）可以濾除電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波電流，可以避免因電網(wǎng)向風(fēng)電場注入過量的17和19次諧波電流而引起的風(fēng)機故障停機，可以有效的解決東馬坊風(fēng)電場高次諧波故障問題。

2.2 計算法

東馬坊風(fēng)電場的雙饋異步電機主要由感應(yīng)電機、背靠背變換器、Crowbar電流泄放回路和濾波回路4部分組成，其中濾波回路接在網(wǎng)側(cè)變換器側(cè)與網(wǎng)側(cè)變換器并聯(lián)，Crowbar電流泄放回路接在轉(zhuǎn)子側(cè)變換器側(cè)，與轉(zhuǎn)子側(cè)變換器并聯(lián)。風(fēng)機正常運行時，濾波器回路主要用于濾除風(fēng)機變頻器產(chǎn)生的諧波；電網(wǎng)電壓跌落時，轉(zhuǎn)子電流突然增大，Crowbar電流泄放回路主要用于保護轉(zhuǎn)子側(cè)變換器不受影響。

如果風(fēng)機變頻器產(chǎn)生的17和19次諧波經(jīng)過choke和變頻器濾波電路發(fā)生諧振，則此濾波電路的傳遞函數(shù)可表示為：

（1）

分別帶入數(shù)據(jù)，，，和，，，，得：，，故該濾波回路與電網(wǎng)17和19次電流發(fā)生諧振對應(yīng)的電網(wǎng)側(cè)電感分別為：，。經(jīng)過計算網(wǎng)側(cè)690 V/35 kV的變壓器電感大小為0.0605 mH，與諧振電感存在較大差距，即使加上線路電感也不足以達到諧振電感下限，所以電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波不會與濾波電路發(fā)生串聯(lián)諧振。

但是考慮到風(fēng)機網(wǎng)側(cè)變換器串聯(lián)choke（0.4 mH），其與0.421 mH相差不多，故風(fēng)機工作在超同步運行狀態(tài)時，風(fēng)機定子和轉(zhuǎn)子均向電網(wǎng)輸出能量，此時choke中流過的19次諧波電流可能會與濾波電路發(fā)生串聯(lián)諧振，從而引起濾波電阻燒毀。但東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機均發(fā)生在風(fēng)機啟動階段，此階段風(fēng)機工作于亞同步運行狀態(tài)，電網(wǎng)通過背靠背變換器向轉(zhuǎn)子側(cè)傳遞能量，因此因濾波電阻燒毀而導(dǎo)致的風(fēng)機故障停機并非因為choke中的19次諧波電流和濾波回路發(fā)生串聯(lián)諧振所致。

通過以上分析可得：東馬坊風(fēng)電場風(fēng)機故障停機并不是因為電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波電流在濾波電路中發(fā)生串聯(lián)諧振所致，考慮到風(fēng)電場110 kV和35 kV側(cè)17和19次諧波含量本身就很高，故濾波電阻燒毀是因為電網(wǎng)側(cè)較大的17和19次諧波電流注入濾波電路，從而引起濾波電阻發(fā)熱導(dǎo)致溫度過高而燒毀。

3 風(fēng)機故障停機事故解決方案

針對東馬坊風(fēng)電場濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故，提出解決方案如下：（1）通過減小濾波電阻的阻值從而提高濾波電阻承受電流的能力，從而避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。（2）通過修改濾波電路中濾波電容的參數(shù)（將改為），從而降低濾波電路的截止頻率，濾除電網(wǎng)側(cè)注入的17和19次諧波，從而消除電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波的影響，避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。（3）采用質(zhì)量優(yōu)良的硅膠涂抹于濾波電阻散熱面，從而提高濾波電阻的散熱能力，避免因濾波電阻溫升過高以致燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。（4）通過改善風(fēng)機背靠背變換器的控制策略使其能夠濾除電網(wǎng)注入的17和19次諧波，從而消除電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波的影響，避免因濾波電阻燒毀引起的風(fēng)機故障停機事故。

4 結(jié)語

經(jīng)過分析故障錄器和電能質(zhì)量監(jiān)測儀采集到的數(shù)據(jù)可得，電網(wǎng)側(cè)17和19次諧波含量高是造成華能寧武東馬坊風(fēng)電場發(fā)生風(fēng)機故障停機事故的根本原因，進一步分析得到17和19次諧波沒有在變頻器濾波電路中發(fā)生諧振現(xiàn)象。精確計算得到，當(dāng)電網(wǎng)110 kV側(cè)17和19次諧波含量超過2%，風(fēng)電場風(fēng)速達到風(fēng)機切入風(fēng)速風(fēng)機啟動時，風(fēng)機濾波回路中的濾波電阻燒毀從而導(dǎo)致風(fēng)機故障停機。變頻器、電弧爐、軋鋼機、電力機車等非線性負荷都是電網(wǎng)側(cè)諧波的主要來源，確切找出17和19次諧波來源并從根源上治理是下一步必要的工作。

參考文獻

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