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风力发电机多台机组同时脱网故障分析研究

发表时间：2020/7/21 来源：《电力设备》2020年第8期作者：梁俊忠

[导读] 摘要：风力发电作为干净无污染的新能源利用，得到广泛的推广。

        （华电福新安徽新能源有限公司安徽省合肥市 230088）
        摘要：风力发电作为干净无污染的新能源利用，得到广泛的推广。但由于风电质量存在波动，容易对并网线路产生影响，因此均采取一定的并网保护，即出现故障时及时将故障点从电网中脱除。在风电机组实际运行中，多次出现多台机组的连锁脱网故障，造成极大的经济损失。本文主要针对此情况进行分析介绍，并提出故障的预防控制策略，可以有效提升机组运行稳定性。
        关键词：风电机组；脱网；故障分析
        1引言
        由于目前火力发电仍然是主要的发电形式,其在消耗较多煤炭和石油等不可再生能源的同时,也容易对环境造成污染。而风力发电则是对可再生且清洁型的太阳能新能源进行利用,而且在发电过程中也不会对环境造成污染,成为目前我国重点开发和应用的发电形式。目前我国在大力发展风力发电项目的开发与建设,而且此种发电形式表现为具有较短的建设周期以及对周围环境较强的适应性等优点。但是在风力发电并网的过程中,由于风力发电具有波动性等特点而可能会在并网发电时对公网造成危害。这就需要采用合理的并网发电系统运行控制技术在确保风能转化为电能进行并网安全运行的同时,降低整个过程的电能消耗问题以及清洁型能源的充分利用问题,并确保光伏并网发电的稳定性。
        2背景简介
        目前，风力发电行业发展主要趋向于大型机组的高度密集，高密集度的风力发电可以有效利用优势地区的风能，但同时对并网的安全性和稳定性造成巨大的影响，风电功率的波动幅度较大、随机性较强，使得系统的电压和频率常常出现问题。另外，大规模的风电发电机机组同时脱网对于电网的安全性产生极大的威胁。
        多台机组同时脱网故障1，事故的起因是1号风机机组出现单相短路引起三相短路，产生电流较大，引发过电流保护。在过电流保护的60毫秒动作中，连续引发馈线中的12台机组全部被切除，最终导致部分风电机组脱离电网，造成840MW的电能损失，系统频率将至49.8Hz。
        多台机组同时脱网故障2，事故原因是风电场的B相引线和汇集线路C相搭接，造成BC之间出现短路，短路故障使得电压降低，短路故障造成317台机组脱网后，系统的无功过剩，引发电压过高，进而发生高压连锁脱网，有造成310台机组脱网，风力出力损失达到412MW。
        目前，我国已经完成对机组并网技术的改造和升级，目前我国风力机组的并网已经发生相对成熟，同时随着并网要求的不断提升，风电机组实际运行中还是存在某些漏洞，容易造成脱网事故的发生。因此，需要对此进行分析，将安全隐患及时消除，从而保证并网的安全性。
        3机组连锁脱网的故障机理分析
        3.1 风力发电系统简介
        当前风力发电系统包括多种风力发电机，最常用的主要是双馈式、鼠笼异步、直驱永磁发电机。风力发电系统的工作原理是将风的动能转化为机械能，再转化为电力动能的过程，具有极高的减少环境污染的可持续性。风力发电机的工作原理较为简单，风轮在风力的作用下旋转，双馈式发电机原理如下：

        图1 风力发电机原理
        3.2 连锁脱网机理
        (1)低电压脱网
        低电压脱网故障发生主要是由于风电站的短路故障引起，风电场的出口母线电压出现短路时，造成距离故障点最近的机组电压迅速降低，机组电压降低导致机组转子的电流增加，当达到设定的阈值后，将进行过电流保护。但保护时间较双馈风电机组定子接触器切除时间快，启动保护动作后，机组会从电网中吸收无功功率，进一步导致电压降低，从而造成更多的机组出现过电流保护从而脱网，产生一系列的连锁反应。风电机组有无低电压穿越能力、无功补偿的控制策略是否合理均是导致低电压脱网的重要因素。
        (2)高压脱网
        高压脱网的原因主要是无功过剩引起，因低压脱网导致线路的有功功率降低，风机的无功功率需要依靠无功补偿系统补偿，因短路故障导致大量的机组从电网中脱网，导致大量的无功过剩，使得系统的电压持续升高，进而引发大量机组因电压过高进行保护从而脱网。造成高压脱网的另外原因就是无功补偿系统的动态调节能力不足，产生高压脱网后，无功补偿系统未能及时退出运行，造成更多机组的电压保护引发脱网故障。
        4风力发电机多台机组同时脱网预防建议
        4.1 预防控制
        一般而言，发生脱网机组的稳态运行电压均出现一定程度的偏高或者偏低，如果运行电压处于偏低的水平，如果出现故障后，电压可能进一步降低至电压的保护阈值引发脱网，同样如果出现运行电压偏高的情况，出现故障后，更容易导致电压过高而脱网。因此可以采取一定的预防控制策略，调整脱网路径链上的风电站的稳态电压水平，并进行提前脱网。实际运行风电站稳态电压水平控制阈一般设置为0.9pu-1.1pu,根据控制代价的大小，电压调节可以分为有功功率调节、无功功率调节，无功补偿装置投切容量调节，相邻无功电源协调配合等。
        4.2 紧急控制
        如果采取上述的预防控制策略未能有效地将脱网的路径进行切除，需要及时投入紧急控制策略。脱网故障发生后，除故障点附近的风电站会立即产生脱网，此脱网时间一般仅有几毫秒，同时受影响的相邻近的风电站也会在故障发生后的几十到几百毫秒内完成脱网，系统在很短的时间内失去稳定性。紧急控制策略就是在这极短的时间内进行操作，具有较大的难度。紧急控制的策略主要根据控制策略的响应速度进行划分，主要目的是能够快速将脱网路径进行切除，紧急控制策略主要包括紧急切机、甩负荷、无功补偿最大无功支撑及延迟闭锁等方式进行实现。
        5结语
        随着风力发电的不断推行、国家电网稳定性要求的程度不断提升，对于新能源并网安全性的研究将会更加深入和科学。通过本文对风电机组连锁脱网的背景及故障机理分析，可以看出引起脱网的主要因素是高压脱网和低压脱网，根据这两种因素，本文简要提出了两种控制策略，即预防控制和紧急控制，在一定程度上可以提升风电机组的稳定并网，保证电网的稳定性和安全性。
        参考文献
        [1]张艳富, 肖军, 朱会芳. 风力发电机多台机组同时脱网故障的研究与探索[C]// 风能产业(2016年第10期总第87期). 0.
        [2]汪可询. 风力发电机故障诊断技术与工程实践研究[D]. 2017.
        [3]孙育龙. 双馈风力发电机低压穿越中无功支撑问题的研究[D]. 2015.