张永奎

 

    （中国北车永济新时速电机电器有限责任公司技术中心工艺所，山西永济044502）

 

    [摘要] 介绍兆瓦级风力发电机试验站异常跳闸的故障现象，分析故障原因，采用了同步发电机过励磁运行方式来提高试验站线路功率因数，保证风力发电机以异步方式进行型式试验。

 

    关键词 风力发电机 功率因数 馈网 同步 异步 过励磁

 

    1异常现象

 

    近期，某公司试验中心在进行1台风力发电机出厂试验时，高压供电变压器负载侧连续发生故障跳闸，这在该试验站建成5年以来还是首次发生。试验中心供电系统属于二类负荷，在设计上采用1台5000kVA变压器供电。公司试验中心立即对事故情况进行了解和分析，经现场检查是过电流引起的保护动作跳闸。接着对整个试验站系统及附属设备进行全面、仔细地检查，未发现任何问题后送电，整个系统恢复正常运行。

 

    2异常原因

 

    为找出变压器过流跳闸的原因，检查了各负载保护回路，试验台直流拖动机电源系统和开关操作机构。又对调压器、变压器绕组、试验线路等设备进行了详细地检查和试验，也没有发现局部短路和接地现象。详细询问试验人员得知跳闸过流保护现象基本发生在电机温升试验初期。该试验站设计试验能力为2.5MW，而这次试验的风力发电机仅为2WM，从容量关系上分析试验台所用设备完全能够满足试验要求。唯一不同的是，以往2MW风力发电机试验采用双馈发电方式馈网，即电机的定子绕组对电网馈网发电的同时，转子绕组通过变频器也对电网馈电。由于变频器选用IGBT控制模块，试验时可调节风力发电机电网侧功率因数达0.95以上。而近期试验是将电机转子绕组直接进行短接，使电机作为异步交流发电机进行馈网发电，这相对于双馈馈网方式电机的功率因数要低很多，电网需要提供较大的无功电流。

 

    为证实是由于将风力发电机作为异步发电机进行馈网试验运行引起试验站功率因数下降，导致电网无功电流增加，从而引发变压器过流保护跳闸现象的发生，再次将电机转子绕组接入变频器进行双馈网发电，并将变频器馈网功率因数调至0.95以上，整个试验过程中，变压器均未出现过流跳闸现象。由此，基本确定将2MW双馈风力发电机改为异步交流电机进行馈网试验是造成10kV变压器试验站侧电流增加，引起过流保护跳闸的主要原因。

 

    3系统结构

 

    试验主接线如图1所示。试验站2台2150kVA整流变压器、1台3150kVA调压器分别接在10kV高压配电间，通过高压开关GYG接入配电间的上一级，再经1台5000kVA供电主变压器接在110kV母线上。

 

    图1风力发电机试验站主接线示意图

 

    2台晶闸管整流器(1600kVA)分别由2台2150kVA整流变压器（双绕组12脉波）供电，各自驱动1台直流电机（风力发电机试验拖动机），再由这2台直流电动机通过齿轮箱共同驱动被试风力发电机。被试风力发电机定子绕组通过并网开关（变频器内控）接入馈网变压器，再通过调压器馈电到10kV电网，其转子绕组通过滑环引出后接入馈网变频器与定子绕组一起馈电到10kV电网。由于线路采用回馈方式，5000kVA变压器仅提供整个试验所需损耗，通常情况下，高压开关GYG电流在180～200A，设定过流保护定值为285A。

 

    4原因分析

 

    通过分析，影响线路功率因数的主要设备为1台3150kVA调压器、2台2150kVA整流变压器、2台1600kVA晶闸管整流器以及被试电机，其中晶闸管整流器功率因数较低，这主要是由于调速装置采用了谐波严重、功率因数低、价格便宜的晶闸管为整流元件。在整流过程中，只有当输入交流电源的瞬时值大于直流母线电压时晶闸管才会导通，呈现出不连续的脉冲波形。这种非正弦波具有很强的高次谐波成分，无功分量较大，虽然整流电路中采用12脉冲整流技术时，输入的功率因数理论上可达0.9，但实际测量值与之相差甚远。由于本试验站同时使用了2套晶闸管整流装置，使试验站负载功率因数进一步降低，实际测量值仅为0.6～0.7，大大降低了整流变压器电网侧功率因数，当被试风力发电机由双馈方式改为异步方式进行试验时，就再一次降低了试验站的功率因数，因此，5000kVA供电变压器需要提供更多的无功功率，造成电流超过保护设定值285A，引起高压开关GYG跳闸。

 

    5解决措施

 

    通过分析了解了变压器异常跳闸的原因，对此提出以下解决措施：（1）适当加大供电变压器10kV侧过流保护定值；（2）将现有由晶闸管整流构成的调速装置更换为采用IGBT控制的整流调速装置，以提高调速装置的功率因数；（3）在10kV线路端接入电容器组与试验线路并接，来补偿线路的无功消耗，适当减轻开关和电缆的负担；（4）采用同步电机提高功率因数。

 

    由同步电机原理可知，同步电机消耗的无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠激状态下定子绕组向电网“吸取”无功，在过激状态下定子绕组向电网“送出”无功。因此，只要调节电机的励磁电流，使其处于过激状态，就可使同步电机向电网“送出”无功功率，来减少电网输送给试验站的无功功率，从而提高试验站的功率因数。

 

    电网无功补偿的方法有很多种，应根据具体情况确定。由于该试验站设备已确定，且被试电机的异步发电方式是用户的特殊要求，数量并不多，因此也只要求采取一定的补救措施即可。选用方案（1）需与供电部门协商，后因试验中心用电功率因数不能过低而放弃，最终选用方案（4）。即启用试验中心1套闲置的用于为其它项目试验提供单相正弦电源的同步机组，在电机试验前将同步机组事先并入风电试验站10kV电网（如图2所示），调节同步机组励磁使其处在空载过励磁状态，待其运行平稳后，再起动风电试验站各设备。

 

    图2改进后的试验站接线图

 

    采用上述措施后，在随后进行的同类型风力发电机异步发电温升工况试验项目时，高压开关GYG再未发生过流跳闸现象，检测的实际电流约为190~200A，较以前降低了近100A，取得了较好的效果。

 

    6结束语

 

    大功率整流设备中，在资金条件允许的情况下，整流器应尽可能采用PWM控制方式以及IGBT功率元件，这样其高功率因数可节省电能，同时又有效降低用电设备对电网的谐波污染。使用晶闸管整流调速装置时，应充分了解设备的实际使用功率因数，适当加大供电电源的功率及电流保护限值，避免频繁跳闸造成不必要的电网冲击。

 

    参考文献

 

    [1]俞大光.电工基础(修订本)上册[M].北京:高等教育出版社,1961

 

    [2]杨冠城.电力系统自动装置原理[M].北京:水利电力出版社,1986

 

    [3]张崇巍,张兴.PWN整流器及其控制[M].北京:机械工业出版社,2003

 

    [4]阎治安.电机学[M].第2版.西安:西安交通大学出版社,2006