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技术交流 | 某风电场并网引起的电能质量问题分析

2022-05-22 00:33:09浏览:169 来源:风电后市场微平台   
核心摘要:【摘 要】 随着大型风电场不断地接入电网,由其并网所引起的电网电能质量问题越来越受到人们的关注。本文对某风电场风电机组400V辅助供电电压畸变进行分析,通过理论联系实际的方法查找问题原因,提出解决方案,保证了风电机组的可靠运行,对今后的风电场并网电能质量测试和评估工作具有一定的参考意义.【关键词】 风电机

【摘 要】 随着大型风电场不断地接入电网,由其并网所引起的电网电能质量问题越来越受到人们的关注。本文对某风电场风电机组400V辅助供电电压畸变进行分析,通过理论联系实际的方法查找问题原因,提出解决方案,保证了风电机组的可靠运行,对今后的风电场并网电能质量测试和评估工作具有一定的参考意义.

【关键词】 风电机组 并网 谐波 双馈变流器


随着风力发电的规模化开发,大量的功率变流装置接入电网,在并网和运行过程中产生高频次的谐波注入电网,再加上风的随机性引起的并网电压波动和闪变等问题,可能导致风电场电能质量不稳定。特别是在一些电网末端的风电场,较长的集电线路使得电网无法吸收或有效衰减高频谐波分量,高频谐波分量在各机组之间相互传导、叠加,最终导致风机无法可靠运行,造成发电量损失。本文结合湖北某风电场实例,通过理论分析和现场测试相结合的方法,对风电场并网引起的电能质量问题进行了分析并给出了解决措施,取得了良好效果,对今后的风电场并网电能质量分析和评估工作提供参考。

1. 故障定位

湖北某风电场安装2MW双馈型风电机组28台共计56MW,自并网以来风电场多次出现400V辅助供电回路微型空气断路器异常跳闸,开关电源、偏航变频器异常损坏和偏航制动电阻异常动作导致过温损坏等问题。经实地测量发现400V辅助回路存在电压畸变,畸变电压为高频谐波,频率约为3180Hz,高频谐波导致400V回路出现过高的电压,造成设备工作异常甚至损坏。查原理图如图1所示,可知导致400V电压畸变的可能原因如下:

1)辅助变压器负载特性导致输出电压畸变;

2)辅助变压器自身质量问题导致输出畸变;

3)输入异常导致输出波形畸变;



1400V供电原理图

针对每一个可能造成的原因,分析排查过程如下:

1.1 400V回路负载特性

400V回路负载为开关电源、散热电机、变桨的DC电源等,这些负载均为通用负载,且在其它风机已批量验证。另外通过在风机上进行试验,风机处于等风状态,偏航动作、变桨动作、偏航及变桨同时动作,启动发电机散热电机、齿轮箱油泵电机、齿轮箱散热电机,波形均未出现畸变,因此可以排除负载引起400V畸变。

1.2 辅助供电400V回路变压器性能验证

风电机组处于待机状态下,测试变压器的输入输出未发现异常。说明400V电压畸变不在变压器,变压器本身无问题。

1.3 辅助供电400V输入分析

对照原理图可知输入有两级,分别为35kV和690V,对两级输入电压分别进行分析。

1.3.1 35kV电压分析

风电机组全部处于待机状态,测试690V及400V回路电压,波形无畸变,说明问题与35kV电压无关。

1.3.2 690V电压分析

风机逐台并网,观察690V波形,如图2所示,说明690V波形的畸变,是造成400V畸变的原因。



图2:不同并网风机台数下波形图


2. 原因分析

双馈机组的电气拓扑如图3所示。双馈机组定子直接并网,转子通过变流器并网。有3个因素能引起690V电压变化,分别为:双馈电机自身、网侧变流器、机侧变流器通过电机作用到690V电网。



3:双馈机组电气拓扑图

2.1 双馈电机自身原因分析

如前所述,畸变频率为3180Hz,双馈电机为电磁部件,定子频率为50Hz,双馈电机自身不发出如此高的频率;同时电机的机械振动也无法产生如此高的频率,因此与双馈电机自身无关。

2.2 网侧变流器原因分析

风电机组采用双馈变流器,电路连接如图4所示。



4:双馈变流器电路连接

网侧变流器通过LCL滤波器连接到电网。LCL滤波器对高频有滤波作用,3180Hz的频率很难通过这个滤波器传导到电网,通过波形实测,网侧变流器传导到电网的最高频率为1220Hz,而且分量幅值很低,如图5所示。



5:网侧变流器输出波形

由于网侧变流器的高频分量为1220Hz,与畸变的3180Hz不符,因此网侧变流器不是造成400V畸变的原因。

2.3 机侧变流器通过电机作用到690V电网分析

双馈电机数学描述如图6所示,机侧变流器高频分量可以通过转子漏感、定子漏感传导到定子侧,在耦合到690V电网。

通过波形实测,确认机侧变流器的高频分量与400V畸变相符,400V畸变由机侧变流器的高频分量通过双馈电机耦合到电网690V侧,再由690V通过辅助供电变压器耦合到400V形成。400V畸变与机侧变流器的高频分量相符。

改变机侧变流器IGBT开关频率,400V畸变特征频率也随之变化;而改变网侧变流器IGBT开关频率,400V畸变特征频率不变化,证明400V是由于机侧变流器的高频分量引起。



6:双馈电机数学描述(等值模型)

变流器内部电路结构如图7所示,滤波器为LCL结构。对于来自发电机的高频分量,需要通过“电感”(约为120uH)才能达到电容C,并被吸收,对于之前的3180Hz畸变,阻抗约为2.4Ω,但耦合到电网约为毫欧级阻抗,阻抗相差百倍以上;LCL对于来自发电机的高频衰减能力非常有限。



图7:变流器内部电路结构

3. 解决措施

调整发电机-变流器匹配参数,消除690V电压谐波,使400V输出正常。调整了机侧变流器IGBT的开关频率,由原来的“最大2000Hz”调整为“最大3000Hz”。机侧IGBT开关频率提高后,机侧变流器的高频谐波减少,耦合到690V的高频分量自然减少,400V畸变减少明显,降低到标准允许范围内。不再出现400V设备损坏等问题,风机恢复稳定运行。

4. 结语

本文通过某风电场实际案例分析,确定了双馈风力发电机组机侧变流器在并网过程中向电网注入高频谐波问题,并通过调整双馈变流器控制策略很好地解决了该问题,保障了风机的可靠运行,获得了一定的经济效益。另外此类问题在风电场并网过程中具有普遍性,问题的分析方法和解决措施也为此类问题的解决提供了思路,具有很高的参考价值。

参考文献:

[1] 杜旭浩,魏力强,马天祥,孙翠英.风电场并网电能质量分析与评估[J].电气应用,2016,35(13).

[2]吉兴全,刘贵彬,李丹等.一种双馈式风机并网的电能质量在线监测方法[J].电力系统保护与控制,2014,42(17).

[3] 国家电网公司.Q/GDW392-2009风电场接入电网技术规定[S].北京:中国电力出版社,2010.

[4]张崇巍,张兴.PWM整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2005.

作者:中车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部  广 赵燕峰

来源:《风能产业》2022.02



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