變流器并網(wǎng)開關(guān)替代改造可行性及故障跳閘問題的研究

劉蘊(yùn)華

中核匯能有限公司 北京 117000

隨著風(fēng)電行業(yè)在我國迅速發(fā)展，功率等級的提高，雙饋型變流器的裝機(jī)容量不斷增加，空氣式框架斷路器做為并網(wǎng)開關(guān)在早期的一代雙饋?zhàn)兞髌魃蠎?yīng)用比較廣泛。但是在框架斷路器的廣泛應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)其在一代變流器上的使用上存在一些的顯著的后期維護(hù)問題和隱患。變流器小風(fēng)不斷脫并網(wǎng)和變流器故障會使得斷路器的分?jǐn)啻螖?shù)不斷增加，限制于斷路器的有效分閘次數(shù)，變流器的使用壽命會大大折扣。除此之外，早期各個(gè)廠家的一代變流器的crowbar模塊多為無源的，這樣在電網(wǎng)發(fā)生故障或者變流器運(yùn)行中發(fā)生故障時(shí)，框架斷路器本身的合閘和分?jǐn)鄷r(shí)間均相對較長，雖然在變流器過流時(shí)起到了一定的保護(hù)作用，但是暫態(tài)時(shí)間內(nèi)的定子電流沖擊很大，對框架斷路器的相間絕緣有很大的影響，并且大電流情況下極易引起拉弧。因此在當(dāng)前風(fēng)機(jī)變流器并網(wǎng)要求越來越高的形式下，不具備競爭優(yōu)勢和后期運(yùn)維優(yōu)勢。

1 接觸器替代分析

1.1 并網(wǎng)開關(guān)性能

使用接觸器替代框架斷路器作為變流器的并網(wǎng)開關(guān)，其合閘和分?jǐn)嗟哪芰χ苯雨P(guān)系到變流器的并網(wǎng)、脫網(wǎng)以及大電流故障脫網(wǎng)的性能優(yōu)劣。因此對并網(wǎng)接觸器的合閘和分閘性能的研究是非常有必要的。針對這兩方面的研究，采集了以下幾個(gè)信號的數(shù)據(jù)作為分析依據(jù)：

（1）斷路器合閘24VDC信號?？刂平佑|器合閘的指令信號，采集24V電平，用于判斷變流器是否下發(fā)了斷路器合閘指令，以便于分析斷路器從合閘到反饋的時(shí)間，判斷斷路器的性能是否滿足使用要求。

（2）分閘指令信號24VDC。區(qū)別于接觸器分閘指令，該信號是控制并網(wǎng)開關(guān)分閘的指令信號，采集24V電平，用于判斷變流器控制系統(tǒng)是否下發(fā)了斷路器分閘指令，以便于分析斷路器的分?jǐn)嘈阅堋?/p>

（3）并網(wǎng)接觸器狀態(tài)反饋信號。該信號主要用于并網(wǎng)接觸器的狀態(tài)判斷，根據(jù)控制系統(tǒng)收到的電平高低判斷并網(wǎng)接觸器處在斷開還是閉合的狀態(tài)。

（4）并網(wǎng)接觸器線圈得電信號。該信號為230V交流信號，為并網(wǎng)接觸器線圈的吸合電源信號，采集該信號，判斷接觸器線圈得電時(shí)間。

（5）并網(wǎng)接觸器線圈失電信號。該信號為230V交流信號，為并網(wǎng)接觸器線圈的斷開電源信號，采集該信號，判斷接觸器線圈失電時(shí)間。

通過分析上述的數(shù)據(jù)信號，確立使用并網(wǎng)接觸器替代框架斷路器后的合閘和分閘時(shí)間，從時(shí)間上判斷其性能是否具備優(yōu)越性。

1.2 時(shí)序測試

（1）正常并網(wǎng)測試。實(shí)驗(yàn)條件：為了驗(yàn)證變流器并網(wǎng)接觸器替代框架斷路器后的合閘性能和并網(wǎng)時(shí)序，將早期一代中使用框架斷路器作為并網(wǎng)開關(guān)的變流器進(jìn)行改造，用并網(wǎng)接觸器去替代變流器原有的框架斷路器作為并網(wǎng)開關(guān)。保證變流器其他原有的控制邏輯不變。

（2）正常脫網(wǎng)測試。實(shí)驗(yàn)條件：風(fēng)速6m/s左右，風(fēng)機(jī)維持功率300kw左右運(yùn)行的工況下進(jìn)行。風(fēng)機(jī)運(yùn)行中，手動停機(jī)，風(fēng)機(jī)無故障脫網(wǎng)，采集變流器的數(shù)據(jù)波形。分析從監(jiān)測到分閘指令到收到接觸器的斷開反饋的時(shí)間是否滿足性能要求及分?jǐn)鄷r(shí)定子電流、轉(zhuǎn)子電流是否有暫態(tài)沖擊。

圖1 正常脫網(wǎng)波形圖

如圖1，脫網(wǎng)時(shí)變流器收到主控的停機(jī)指令后，發(fā)出并網(wǎng)開關(guān)分閘指令，指令時(shí)間504ms左右，指令發(fā)出后108ms并網(wǎng)接觸器脫開，在此期間，定/轉(zhuǎn)子電流電網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)良好，無尖峰突變的現(xiàn)象，測試數(shù)據(jù)說明使用接觸器替代框架斷路器在變流器正常脫網(wǎng)時(shí)序上滿足脫網(wǎng)要求。

2 無源crowbar造成的部分問題

2.1 無源crowbar原理介紹

由于早期電網(wǎng)對低穿標(biāo)準(zhǔn)的要求標(biāo)準(zhǔn)低，一代雙饋?zhàn)兞髌骰旧喜捎玫氖菬o源的被動式crowbar裝置。

變流器采用無源被動式crowbar，由二極管整流橋和直流短路晶閘管構(gòu) 成，當(dāng)直流母線電壓達(dá)到保護(hù)值時(shí)，控制系統(tǒng)觸發(fā)晶閘管使其導(dǎo)通，從而將轉(zhuǎn)子繞組短路，實(shí)現(xiàn)保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的功能，晶閘管導(dǎo)通后，crowbar回路會和轉(zhuǎn)子繞組一直保持連接狀態(tài)，待并網(wǎng)開關(guān)（框架斷路器或者并網(wǎng)接觸器）將定子側(cè)與電網(wǎng)完全斷開切轉(zhuǎn)子電流衰減為零后，晶閘管恢復(fù)阻斷狀態(tài)。從無源crowbar保護(hù)電流的控制上看，晶閘管不能自行關(guān)斷，所以故障發(fā)生后，必須將電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)脫開，只能脫網(wǎng)處理。

2.2 直流母線過壓故障引起的斷路器拉弧問題

采集了變流器運(yùn)行中直流母線電壓故障停機(jī)的數(shù)據(jù)，一并作為跳閘分析。變流器并網(wǎng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速1300rpm左右，功率230kw到260kw，運(yùn)行中故障脫網(wǎng)，變流器直流母線故障停機(jī)。

從圖2可看到變流器直流母線電壓過壓故障時(shí)，轉(zhuǎn)子馬上封鎖脈沖，停止調(diào)制，同時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出了分閘信號。在接觸器脫開的暫態(tài)時(shí)間內(nèi)，定子電流很大，瞬時(shí)最大值達(dá)到2900A，暫態(tài)時(shí)間持續(xù)84ms左右。97ms后并接觸器脫開。暫態(tài)時(shí)間內(nèi)如此大的電流對接觸器或者框架斷路器的性能要求很高，且早前變流器的并網(wǎng)開關(guān)采用的是框架斷路器，框架斷路器的短時(shí)過載電流保護(hù)閥值Isd和tsd的設(shè)置需要參考斷路器本身短時(shí)過載的脫扣曲線設(shè)置，時(shí)間設(shè)置需要參考斷路器脫扣的反時(shí)限曲線。一般1.5MW雙饋?zhàn)兞髌鞯目驍嗾ūＷo(hù)值設(shè)置為：Isd=1.5×In和tsd=0.2s，In=1600A。因此不難得出，出現(xiàn)上述問題時(shí)很容易導(dǎo)致框架斷路器跳閘，甚至可能觸發(fā)風(fēng)機(jī)低壓側(cè)的箱式變壓器的斷路器保護(hù)開關(guān)的整定閥值，導(dǎo)致箱變跳閘。

圖2 故障前后轉(zhuǎn)子電流波形

2.3 跳閘原因分析

變流器運(yùn)行中檢測到直流母線過壓，觸發(fā)了被動式crowbar，將發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞路短接在了crowbar回路，封鎖了轉(zhuǎn)子側(cè)變流器脈沖，此時(shí)雖然變流器已經(jīng)發(fā)出并網(wǎng)開關(guān)分閘指令，但是斷路器或者接觸器脫開需要時(shí)間，在脫開時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)和發(fā)電機(jī)始終連接在一起，因此暫態(tài)時(shí)間內(nèi)此時(shí)定子電流會很大，因?yàn)槭菬o源被動式crowbar，變流器控制系統(tǒng)無法控制晶閘管不斷開通關(guān)斷，并且變流器的本身控制策略存在問題，監(jiān)測到直流母線電壓時(shí)沒有通過控制降低母線電壓，任其增大，導(dǎo)致上述結(jié)果。受制于變流器的低穿模塊設(shè)計(jì)，暫態(tài)時(shí)間內(nèi)無法通過控制減小定子電流。定子電流暫態(tài)時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)很大，極易觸發(fā)斷路器過載跳閘得保護(hù)設(shè)置條件，從而導(dǎo)致框架斷路器跳閘，且頻繁故障會導(dǎo)致斷路器的相間絕緣降低。

3 結(jié)語

本文首先詳細(xì)分析了對于早期的一代變流器的并網(wǎng)開關(guān)，可以使用分?jǐn)啻螖?shù)較多（約50萬次）的大電流接觸器替代分?jǐn)啻螖?shù)較少的框架斷路器作為新的并網(wǎng)開關(guān)使用，保留框架斷路器作為過流保護(hù)開關(guān)的功能使用。因此對于解決跳閘問題，現(xiàn)場需要解決掉變流器運(yùn)行中直流母線過壓的問題。導(dǎo)致母線過壓的問題一般有：母線采樣系統(tǒng)出現(xiàn)問題，器件壽命到期或者損壞，造成直流母線電壓誤檢出；也有可能是網(wǎng)功率單元驅(qū)動板或者脈沖板出現(xiàn)問題，在網(wǎng)側(cè)調(diào)制時(shí)，某相電流缺失或者某相電流出現(xiàn)偏置導(dǎo)致調(diào)制時(shí)母線電壓被抬升過壓。