可變速水輪發(fā)電機組低電壓穿越的研究

高 超，于曉慧

（1. 哈電發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心有限公司，哈爾濱 150040；2. 哈爾濱東安機電制造有限責任公司，哈爾濱 150066）

前言

新疆人民電站3號機組為6.5MW可變速水輪發(fā)電機組，此機組為目前國內(nèi)首臺可變速水輪發(fā)電機組。自2010年4月投入運行后，機組出現(xiàn)多次甩負荷故障。經(jīng)過一段時間的實地觀察和分析，發(fā)現(xiàn)每次機組甩負荷時交流勵磁裝置都會報轉(zhuǎn)子側(cè)過流和直流母線過壓故障，并發(fā)現(xiàn)中央監(jiān)控系統(tǒng)的故障列表順序是先轉(zhuǎn)子側(cè)過流，后并網(wǎng)斷路器跳閘。由此推斷為電網(wǎng)電壓跌落造成雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流，進而引起交流勵磁裝置轉(zhuǎn)子側(cè)過流和直流母線過壓，最后造成機組甩負荷故障。3號機組示意圖如圖1所示。

1 人民電站電網(wǎng)質(zhì)量測試

1.1 電網(wǎng)電壓有效值實時監(jiān)測

為了進一步驗證非正常甩負荷是由電網(wǎng)電壓跌落造成的，實地測試人民電站電網(wǎng)質(zhì)量。測試時間共計66小時 42分（2011年 04月 28日 15：10：46～2011年05月01日09：52：30），在測試期間交流勵磁裝置共發(fā)生4次帶載脫網(wǎng)現(xiàn)象，其中兩次為系統(tǒng)脫網(wǎng)后，并網(wǎng)后加載過程中再次發(fā)生帶載脫網(wǎng)，發(fā)生脫網(wǎng)時刻分別為2011年4月30日00：31：02，00：51：54，15：02：31，15：17：29。圖 2為部分監(jiān)測波形，由監(jiān)測波形可知：電網(wǎng)電壓存在頻繁性突變和跌落現(xiàn)象，并且電網(wǎng)電壓跌落后，機組隨即發(fā)生甩負荷故障，可以確切證實是電網(wǎng)電壓跌落造成機組出現(xiàn)非正常甩負荷故障。

圖1 可變速機組示意圖

1.2 電網(wǎng)電壓跌落分析

圖2 電網(wǎng)電壓實時監(jiān)測圖

2011年4月30日15：02：31電壓跌落電網(wǎng)三相電壓分別由 659.3V、662.5V、669.0V 瞬間跌落至575.0V、478.5V、478.5VD跌落持續(xù)時間為80ms。2011年4月30日15：17：29電壓跌落電網(wǎng)電壓分別由623.3V、622.4V、629.1V以 75V/s的速度遞減至556.9V，557.0V、563.7V、持續(xù)時間為390ms。

1.3 通過對波形的分析得出結(jié)論

表1 電網(wǎng)質(zhì)量的測試數(shù)據(jù)

2 3號機組非正常甩負荷故障分析及解決方案

2.1 3號機組非正常甩負荷故障分析

在電網(wǎng)電壓跌落情況下，可變速機組中的雙饋發(fā)電機會導致轉(zhuǎn)子側(cè)過流，同時轉(zhuǎn)子側(cè)電流的迅速增加會導致轉(zhuǎn)子交流勵磁裝置直流母線電壓升高，引起發(fā)電機交流勵磁裝置過電流和過電壓保護，導致發(fā)電機與電網(wǎng)解列。這是因為雙饋發(fā)電機在電網(wǎng)電壓瞬間跌落的情況下，定子磁鏈不能跟隨定子端電壓突變，從而定子磁鏈會產(chǎn)生直流分量和負序分量，定子磁鏈幾乎保持靜止，而轉(zhuǎn)子磁鏈繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的滑差，這樣便會引起轉(zhuǎn)子繞組的過壓、過流。因而進入轉(zhuǎn)子保護狀態(tài)是正確的，否則將會把發(fā)電機轉(zhuǎn)子燒毀。

2.2 3號機組非正常甩負荷故障解決方案

根據(jù)以上3號機組甩負荷故障分析，雙饋發(fā)電機定子磁鏈的直流分量和負序分量決定了在甩負荷故障期間轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的反電動勢。通過對反電動勢的限制來限制轉(zhuǎn)子電流，主要思路如下：（1）利用轉(zhuǎn)子電壓來減弱定子磁鏈中的直流和負序分量的作用；（2）對轉(zhuǎn)子電流進行定向，使得轉(zhuǎn)子電流能夠抵消轉(zhuǎn)子磁鏈中一部分直流和負序分量。以上是改進控制策略減弱直流分量和負序分量的暫態(tài)響應。能量守恒角度分析，電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越故障時，發(fā)電機端電壓比正常工況低，意味著系統(tǒng)無法正常向電網(wǎng)輸送電能。同時，由于機組的慣性很大，導水機構(gòu)在很短時間內(nèi)能調(diào)節(jié)的范圍有限，于是捕獲的水能將有一部分過剩，單純靠控制策略的改進將很難實現(xiàn)低電壓穿越，需增加硬件輔助電路，即Crowbar電路。根據(jù)精確的雙饋發(fā)電機和交流勵磁裝置的仿真模型，輸入準確的發(fā)電機以及交流勵磁裝置參數(shù)，改進限制轉(zhuǎn)子反電動勢的控制策略，增加Crowbar電路，進行仿真計算, 仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型框圖

3 仿真分析

以下為極限工況的仿真波形，分別為三相電網(wǎng)相電壓和三相饋入電網(wǎng)相電流。工況：滿載，三相電壓跌落至20%。

圖4 故障穿越測試波形

圖4是電壓跌落到 20%左右，持續(xù)時間大概為625ms的三相電網(wǎng)故障。在發(fā)生故障以后，由于電網(wǎng)的瞬間跌落產(chǎn)生了最大峰值沖擊電流未達到 3000A，在IGBT以及Crowbar模塊承受范圍之內(nèi)。該電流在維持了一個波頭后迅速衰減，在經(jīng)過大概100ms以后衰減到零，系統(tǒng)會根據(jù)電網(wǎng)電壓的大小進行無功電流支撐，其大小等于電網(wǎng)電壓跌落幅度的兩倍，即Ireact= 2×ΔU×IN，其中ΔU為電壓跌落幅度百分比，IN為系統(tǒng)額定電流。無功電流輸出最大為100%IN，而有功電流則輸出為0。而在此次電網(wǎng)跌落中，由于電網(wǎng)跌落程度較深，無功電流輸出達到了100%IN。在電網(wǎng)故障恢復以后，系統(tǒng)輸出電流迅速減到 0，在經(jīng)歷了500ms后，系統(tǒng)重新向電網(wǎng)輸入有功功率，并且達到跌落前的水平。說明系統(tǒng)成功進行了低電壓穿越，沒有出現(xiàn)脫網(wǎng)故障。

4 結(jié)論

本文針對新疆人民電站3號機組的頻繁甩負荷故障進行了分析和現(xiàn)場電網(wǎng)質(zhì)量實測，得出甩負荷故障是由電網(wǎng)電壓大幅跌落引起的結(jié)論。并對電網(wǎng)電壓跌落引起雙饋發(fā)電機轉(zhuǎn)子過流的過程進行了詳細的理論分析，提出的限制轉(zhuǎn)子反電動勢的控制策略和增加Crowbar電路的解決方案。根據(jù)仿真結(jié)果，在電網(wǎng)電壓跌落到額定電壓20%左右、持續(xù)時間大概為625ms的工況下，系統(tǒng)都能成功地進行低壓穿越；對人民電站電網(wǎng)電壓的跌落到額定電壓 80%左右、持續(xù)時間為390ms的工況，系統(tǒng)是完全可以實現(xiàn)低電壓穿越，并且完全滿足國標的低壓穿越要求。

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