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        變壓器空投引起風機脫網分析

        近年來,我國風電得到了跨越式發展,截至2011年底我國風電并網容量超過4500萬kW,已經躍居世界第一位。隨著風電裝機容量的迅速增加,風電接入電網后帶來的運行安全問題越來越引起人們的重視,其中最嚴重的是風機脫網問題。目前研究的重點主要集中于由于電網故障造成風機脫網,對由變壓器投切引起的暫態擾動引發風機脫網的研究較少。

          文章從一次變壓器空投造成風機脫網的實例出發開展研究,分析變壓器空投產生的勵磁涌流對風機運行的影響。變壓器在空載投入電網時,由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特征,會產生相當大的勵磁電流B7,稱為勵磁涌流840.變壓器空沖時產生的勵磁涌流會引起系統無功變化、電壓波動,有可能使風機因低壓保護動作脫網。同時,由于三相電壓之間有120°相位差,因而三相勵磁電流存在不平衡,會引起電壓不平衡、電流不平衡等現象,風機可能因電壓、電流不平衡保護動作脫網。

          1、脫網風電場概況及事件概述

          脫網風電場所在的電網接線如所示,風電場A、B、C、D四個風電場都由開閉站E所管轄,經過開閉站E和匯集站F之間的線路(EF線)送入匯集站F,然后接入系統。開閉站E所轄地區四個風電場裝機容量489MW,其中恒定異步風機156MW,直驅或雙饋風機333MW.接入系統線路較長,EF線最大潮流500MW.短路容量較小,開閉站E單相短路電流約為2.三相短路電流約為3.2kA.脫網風電場電網接線示意圖開閉站E至風電場A的架空線路為22. 1km,開閉站E至風電場D的線路長度為79km,開閉站E至匯集站F的線路長度為84.閉站E至風電場B的架空線路長度為21.7km.上述各站的短路容量見表1.表1脫網風電場區域內各變電站短路容量廠站短路電流/kA短路容量/MVA開閉站E匯集站F壓器,裝有100臺1.5MW的雙饋風機,空投前風電出力約10MW.壓器,風電場總裝機容量為147MW.變壓器空投前,風電場A兩臺主變正常并網運f丁,風電出力約10MW.風電場B未并網運行,在對風電場B主變進行充電時,造成了風電場A脫網。

          2、風機脫網事件現象分析

          2.1系統電壓波動分析通過線路空投風電場B升壓站主變,合閘后,引起系統電壓有一定程度下降。三相電壓的變化趨勢基本一致,但幅值略有區別,三相電壓達到最低值的時刻也不相同。

          脫網的風電場A與空投變壓器所在的風電場B 220kV母線電壓變化趨勢基本一致。由于A站電壓初始值比B略低,因此最低電壓比B站也略低。風電場A220kV母線三相電壓最低分幅最大的C相跌落至變壓器空投前的87.3%.對比風電場A、風電場D以及匯集站F220kV母線A相電壓的PMU錄波結果,可見三個站母線電壓在空投前后的變化趨勢基本一致,電壓跌落幅度略有區別。在空投時刻,風電場A的電壓跌落幅度較風電場D略大,匯集站F電壓跌落巾雖度最小。

          由分析可知,距離系統沖擊點電氣距離越近、短路容量越小的風電場,感受到的沖擊越大。

          2.2電壓、電流不平衡度分析A、B站各相電壓均表現出一定不平衡。根15543―2008電能質量三相電壓不平衡的規定,電壓不平衡度指電力系統中三相電壓不平衡的程度,用電壓負序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示。

          用以下公式計算電壓不平衡度:其中,U2序電壓計算的電壓不平衡度,U2為負序電壓,R為正序電壓。

          由公式(1)計算的風電場A電壓不平衡度曲線如所示??胀肚?,風電場A220kV母線電壓不平衡度約為0.1%左右,空投期間,電壓不平衡度明顯增大,絕對值最大值達到2.27%,高于風電場A機組電壓不平衡保護定值(2%)。部分高于2%的點,持續時間達到330ms,達到了延時100ms保護動作的要求。

          風電場A220kV母線電壓不平衡度曲線。50.00.50正常方式時,三相電流基本穩定,空投變壓器時,風電場A送出線三相電流波動增加,三相電流不平衡較為嚴重。根據GB/T15543―2008電能質量三相電壓不平衡的規定,電流不平衡度用電流負序基波分量或零序基波分量與正序基波分量的方均根值百分比表示。用以下公式計算電流不平衡度:其中,表示由電流的負序分量計算的電流不平衡度,4為電流的負序分量,1l為電流的正序分量。

          根據上述公式計算風電場A送出線電流不平衡度,結果如所示。由可知,變壓器空投時,風電場A電流不平衡度從接近于零迅速增加,最高到326. 62%,電流不平衡度在10%以上的最長持續時間達650ms.A風電機組電流不平衡保護定值為10%,延時100ms動作。據220kV和35kV側數據估計,風機的電流不平衡都已達到動作定值。

          2.3有功功率與無功功率分析

          2.3.1空投變壓器所在風電場有功與無功當B站變壓器空投時,風電場B送出線有功功率、無功功率均有不同程度波動。有功功率在出現個較大沖擊之后迅速衰減為0.由于變壓器需吸收無功功率構建磁場,因此變壓器空投時變壓器通過送出線從系統吸收無功功率幅值較大,且衰減較慢。在合閘瞬間,送出線通過的無功功率出現階躍沖擊,從系統吸收的無功功率最大為75Mvar,可見變壓器空投時需要的無功功率較大,會對系統內其他風電場產生較大沖擊。

          2.3.2脫網風電場有功與無功變壓器空投前,風電場A向系統送出有功功率10.5MW,空投開始后,由于電壓降低以及電壓、電流不平衡等原因,有功功率迅速降低,在空投1.2s后有功功率降為0MW左右,估計此時已有少數風機脫網。之后90ms內,有功功率試圖恢復到8.5MW左右,而后再次迅速降低,并出現劇烈的振蕩波動。

          空沖前風電場A送出線送出無功-6Mvar,空投時,由于該風電場SVC裝置TCR支路輸出調節至0,變壓器向系統送出無功逐漸變為12.5Mvar左右,而后變壓器向系統送出無功振蕩增加,最大增至-85.5Mvar.

          2.3.3脫網風電場無功補償裝置運行的影響風電場A―套TCR型SVC投入運行,感性TCR支路容量為32. 3次容性支路容量為21.6Mvar,5次容性支路容量為24Mvar.變壓器空投前,SVC從系統吸收21.5Mvar無功,空投開始后220kV母線電壓迅速降低至0.95pu左右,經過0.6s,SVC調整其無功輸出至0Mvar,使得220kV母線電壓略微上升。但空投1.2s后有風機可能因電壓不平衡或電流不平衡而發生脫網,所以220kV母線電壓繼續降低,220kV母線電壓和SVC無功輸出出現振蕩。約3. 5s后,SVC持續吸收15Mvar左右無功,使得35kV側電壓進一步降低。距離空投發生7.5s時,SVC裝置退出運行,系統電壓逐漸恢復。

          風電場A有1號和2號兩臺變壓器,分母線運行,上述SVC接入2號母線35kV側。由于2號母線35kV側SVC裝置TCR支路的運行,使得02母線35kV側電壓初始較低,動態過程中電壓跌落幅度和電壓不平衡程度較大。因此2號主變上所帶的風機首先由于電壓不平衡或電壓過低開始脫網,使得2號主變送出的有功先于1號主變出現了跌落。

          3、風機脫網原因初析

          3.1勵磁涌流的產生當合上斷路器給變壓器充電時,由于變壓器鐵芯磁通的飽和及鐵芯材料的非線性特性,變壓器激磁電壓的突然變化會使變壓器產生勵磁涌流1-15.以單相變壓器為例開展分析,空載合閘瞬間變壓器鐵芯中的磁通與外加電壓之間的關系為:上N為變壓器空載合閘側繞組的匝數,少為變壓器鐵芯中的磁通,Um為外加電壓幅值,a為電壓合閘角。

          上-Ucs(wt+a)為強迫分量,C為衰減Nw的自由分量。在變壓器合閘瞬間,鐵芯內的磁通保持不變,因此自由分量C與變壓器初始的磁通以及合閘角有關。設變壓器初始磁通為步,則有0二-上,T為自由分量的衰減時間常數,等于合閘回路電感與電阻的比值。

          可見變壓器鐵芯里的總磁通0應看成兩個磁通的加和,到1/4T時,兩個磁通相加達最大值。若鐵芯中磁通開始為零,0波形的最大值約為磁通穩定波形幅值的兩倍。若合閘瞬間鐵芯中有剩磁,總磁通的最大值還會更大。

          是電壓器的典型磁化曲線,當變壓器進入磁通飽和狀態后,變壓器的勵磁電流需要急劇增加,才能產生相應的磁通。勵磁涌流比變壓器的空載電流大100倍左右,最大可達額定電流的8~10倍。變壓器容量越大,阻抗值越大,該倍數值越低。

          對于變壓器,其磁通量和電流之間存在以下關系:將式(5)代入式(6),可得變壓器中的電流為:變壓器磁化曲線上,為閉合鐵芯磁路的平均長度,N為鐵芯匝數,A為鐵芯截面積,/X為鐵芯磁導率,由于空投時變壓器已進入深度飽和,/x不是恒定的,而是隨飽和程度變化的量,飽和程度越大,At越小。

          風機感受到的電流沖擊約為對于三相電壓,由于三相電壓之間相差120°,因此合閘瞬間電壓的合閘角不同,產生的衰減分量也不樣,三相電壓受到的勵磁電流沖擊不同,將會引起電壓不平衡、電流不平衡等現象。

          3.2變壓器空投對周邊風機的影響變壓器空投時系統的簡化示意圖如所示,忽略電網等效阻抗、線路、變壓器和風機的電阻,所示系統的等效電路如所示。

          其中風機用風機內電勢和暫態電抗XW表示。分別為箱變和風電場升壓變的漏可見變壓器和風機中的電流也是兩部分,一部分是為強迫分量,另外一部分為衰減分量。風機與匯集站之間的等效阻抗X2越小,感受到的電流沖擊越大。由于變壓器飽和后磁化曲線呈現非線性,電流將出現畸變。由于磁通落后電壓90°,而電流與磁通同相位,因此該電流為純無功電流,風電場將感受到感性無功沖擊。若考慮線路和變壓器的電阻,則有功也將有小幅波動。

          以上分析的結果與實際錄波的情況基本一致。此次事件中,風電場B升壓變壓器空投時,產生了很大的勵磁涌流,并且變壓器需吸收無功功率構建磁場,從系統吸收無功功率幅值較大,且衰減較慢,造成系統電壓下降。距離沖擊點電氣距離越近、短路容量越小的風電場,感受到的電流沖擊越大??胀哆^程中風電場A的電壓和電流不平衡度較大。在變壓器空投過程中,動態無功補償裝置需發揮其調節作用,使電壓波動及時恢復正常,風電場A動態無功裝置在此次事件中,由于響應時間不滿足要求以及未有效調節,未對電壓起到明顯的支撐作用,甚至無序動作,造成與其相連接的35kV母線電壓惡化,該母線風機首先脫網。

          4、總結

          文章針對變壓器空投引起風機脫網的實例,對所收集的事件背景資料和PMU數據進行分析和計算,對比分析了空投變壓器所在風電場和周圍風電場的系統電壓波動情況及其原因,計算了脫網風電場的電壓和電流不平衡度,分析了空投變壓器所在風電場和脫網風電場送出線路的有功無功功率以及無功補償裝置調節情況。主要結論如下:變壓器空投時會產生很大的勵磁涌流,由于地區電網短路容量較小,引起系統電壓跌落;距離沖擊點電氣距離越近、短路容量越小的風電場,感受到的電流沖擊越大;由于三相變壓器合閘瞬間合閘角不同,使得ABC三相勵磁涌流幅值不同,在空投后十幾秒內,會出現風電場電壓和電流不平衡,可能是風機脫網的主要原因;SVC等無功補償裝置在暫態擾動過程中,對風電場的電壓有很大影響,如其有效調節,可能會避免風機脫網事件。

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