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变压器空投引起风机脱网分析

时间:2017-10-21 10:52:00   来源:本网   添加人:admin

  近年来,我国风电得到了跨越式发展,截至2011年底我国风电并网容量超过4500万kW,已经跃居世界第一位。随着风电装机容量的迅速增加,风电接入电网后带来的运行安全问题越来越引起人们的重视,其中最严重的是风机脱网问题。目前研究的重点主要集中于由于电网故障造成风机脱网,对由变压器投切引起的暂态扰动引发风机脱网的研究较少。

  文章从一次变压器空投造成风机脱网的实例出发开展研究,分析变压器空投产生的励磁涌流对风机运行的影响。变压器在空载投入电网时,由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特征,会产生相当大的励磁电流B7,称为励磁涌流840.变压器空冲时产生的励磁涌流会引起系统无功变化、电压波动,有可能使风机因低压保护动作脱网。同时,由于三相电压之间有120°相位差,因而三相励磁电流存在不平衡,会引起电压不平衡、电流不平衡等现象,风机可能因电压、电流不平衡保护动作脱网。

  1脱网风电场概况及事件概述脱网风电场所在的电网接线如所示,风电场A、B、C、D四个风电场都由开闭站E所管辖,经过开闭站E和汇集站F之间的线路(EF线)送入汇集站F,然后接入系统。开闭站E所辖地区四个风电场装机容量489MW,其中恒定异步风机156MW,直驱或双馈风机333MW.接入系统线路较长,EF线最大潮流500MW.短路容量较小,开闭站E单相短路电流约为2.三相短路电流约为3.2kA.脱网风电场电网接线示意图开闭站E至风电场A的架空线路为22. 1km,开闭站E至风电场D的线路长度为79km,开闭站E至汇集站F的线路长度为84.闭站E至风电场B的架空线路长度为21.7km.上述各站的短路容量见表1.表1脱网风电场区域内各变电站短路容量厂站短路电流/kA短路容量/MVA开闭站E汇集站F压器,装有100台1.5MW的双馈风机,空投前风电出力约10MW.压器,风电场总装机容量为147MW.变压器空投前,风电场A两台主变正常并网运f丁,风电出力约10MW.风电场B未并网运行,在对风电场B主变进行充电时,造成了风电场A脱网。

  2风机脱网事件现象分析2.1系统电压波动分析通过线路空投风电场B升压站主变,合闸后,引起系统电压有一定程度下降。三相电压的变化趋势基本一致,但幅值略有区别,三相电压达到最低值的时刻也不相同。

  脱网的风电场A与空投变压器所在的风电场B 220kV母线电压变化趋势基本一致。由于A站电压初始值比B略低,因此最低电压比B站也略低。风电场A220kV母线三相电压最低分幅最大的C相跌落至变压器空投前的87.3%.对比风电场A、风电场D以及汇集站F220kV母线A相电压的PMU录波结果,可见三个站母线电压在空投前后的变化趋势基本一致,电压跌落幅度略有区别。在空投时刻,风电场A的电压跌落幅度较风电场D略大,汇集站F电压跌落巾虽度最小。

  由分析可知,距离系统冲击点电气距离越近、短路容量越小的风电场,感受到的冲击越大。2.2电压、电流不平衡度分析A、B站各相电压均表现出一定不平衡。根15543―2008电能质量三相电压不平衡的规定,电压不平衡度指电力系统中三相电压不平衡的程度,用电压负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。

  用以下公式计算电压不平衡度:其中,U2序电压计算的电压不平衡度,U2为负序电压,R为正序电压。

  由公式(1)计算的风电场A电压不平衡度曲线如所示。空投前,风电场A220kV母线电压不平衡度约为0.1%左右,空投期间,电压不平衡度明显增大,绝对值最大值达到2.27%,高于风电场A机组电压不平衡保护定值(2%)。部分高于2%的点,持续时间达到330ms,达到了延时100ms保护动作的要求。

  风电场A220kV母线电压不平衡度曲线。50.00.50正常方式时,三相电流基本稳定,空投变压器时,风电场A送出线三相电流波动增加,三相电流不平衡较为严重。根据GB/T15543―2008电能质量三相电压不平衡的规定,电流不平衡度用电流负序基波分量或零序基波分量与正序基波分量的方均根值百分比表示。用以下公式计算电流不平衡度:其中,表示由电流的负序分量计算的电流不平衡度,4为电流的负序分量,1l为电流的正序分量。

  根据上述公式计算风电场A送出线电流不平衡度,结果如所示。由可知,变压器空投时,风电场A电流不平衡度从接近于零迅速增加,最高到326. 62%,电流不平衡度在10%以上的最长持续时间达650ms.A风电机组电流不平衡保护定值为10%,延时100ms动作。据220kV和35kV侧数据估计,风机的电流不平衡都已达到动作定值。

  风电场A送出线电流不平衡度曲线2.3有功功率与无功功率分析2.3.1空投变压器所在风电场有功与无功当B站变压器空投时,风电场B送出线有功功率、无功功率均有不同程度波动。有功功率在出现个较大冲击之后迅速衰减为0.由于变压器需吸收无功功率构建磁场,因此变压器空投时变压器通过送出线从系统吸收无功功率幅值较大,且衰减较慢。在合闸瞬间,送出线通过的无功功率出现阶跃冲击,从系统吸收的无功功率最大为75Mvar,可见变压器空投时需要的无功功率较大,会对系统内其他风电场产生较大冲击。

  2.3.2脱网风电场有功与无功变压器空投前,风电场A向系统送出有功功率10.5MW,空投开始后,由于电压降低以及电压、电流不平衡等原因,有功功率迅速降低,在空投1.2s后有功功率降为0MW左右,估计此时已有少数风机脱网。之后90ms内,有功功率试图恢复到8.5MW左右,而后再次迅速降低,并出现剧烈的振荡波动。

  空冲前风电场A送出线送出无功-6Mvar,空投时,由于该风电场SVC装置TCR支路输出调节至0,变压器向系统送出无功逐渐变为12.5Mvar左右,而后变压器向系统送出无功振荡增加,最大增至-85.5Mvar. 2.3.3脱网风电场无功补偿装置运行的影响风电场A―套TCR型SVC投入运行,感性TCR支路容量为32. 3次容性支路容量为21.6Mvar,5次容性支路容量为24Mvar.变压器空投前,SVC从系统吸收21.5Mvar无功,空投开始后220kV母线电压迅速降低至0.95pu左右,经过0.6s,SVC调整其无功输出至0Mvar,使得220kV母线电压略微上升。但空投1.2s后有风机可能因电压不平衡或电流不平衡而发生脱网,所以220kV母线电压继续降低,220kV母线电压和SVC无功输出出现振荡。约3. 5s后,SVC持续吸收15Mvar左右无功,使得35kV侧电压进一步降低。距离空投发生7.5s时,SVC装置退出运行,系统电压逐渐恢复。

  风电场A有1号和2号两台变压器,分母线运行,上述SVC接入2号母线35kV侧。由于2号母线35kV侧SVC装置TCR支路的运行,使得02母线35kV侧电压初始较低,动态过程中电压跌落幅度和电压不平衡程度较大。因此2号主变上所带的风机首先由于电压不平衡或电压过低开始脱网,使得2号主变送出的有功先于1号主变出现了跌落。

  3风机脱网原因初析3.1励磁涌流的产生当合上断路器给变压器充电时,由于变压器铁芯磁通的饱和及铁芯材料的非线性特性,变压器激磁电压的突然变化会使变压器产生励磁涌流1-15.以单相变压器为例开展分析,空载合闸瞬间变压器铁芯中的磁通与外加电压之间的关系为:上N为变压器空载合闸侧绕组的匝数,少为变压器铁芯中的磁通,Um为外加电压幅值,a为电压合闸角。

  上-Ucs(wt+a)为强迫分量,C为衰减Nw的自由分量。在变压器合闸瞬间,铁芯内的磁通保持不变,因此自由分量C与变压器初始的磁通以及合闸角有关。设变压器初始磁通为步,则有0二-上,T为自由分量的衰减时间常数,等于合闸回路电感与电阻的比值。

  可见变压器铁芯里的总磁通0应看成两个磁通的加和,到1/4T时,两个磁通相加达最大值。若铁芯中磁通开始为零,0波形的最大值约为磁通稳定波形幅值的两倍。若合闸瞬间铁芯中有剩磁,总磁通的最大值还会更大。

  是电压器的典型磁化曲线,当变压器进入磁通饱和状态后,变压器的励磁电流需要急剧增加,才能产生相应的磁通。励磁涌流比变压器的空载电流大100倍左右,最大可达额定电流的8~10倍。变压器容量越大,阻抗值越大,该倍数值越低。

  抗,Xl为线路的电抗,Xs为电网的等效电抗,Xm为空投变压器的励磁电抗。

  对于变压器,其磁通量和电流之间存在以下关系:将式(5)代入式(6),可得变压器中的电流为:变压器磁化曲线上,为闭合铁芯磁路的平均长度,N为铁芯匝数,A为铁芯截面积,/X为铁芯磁导率,由于空投时变压器已进入深度饱和,/x不是恒定的,而是随饱和程度变化的量,饱和程度越大,At越小。

  风机感受到的电流冲击约为对于三相电压,由于三相电压之间相差120°,因此合闸瞬间电压的合闸角不同,产生的衰减分量也不样,三相电压受到的励磁电流冲击不同,将会引起电压不平衡、电流不平衡等现象。3.2变压器空投对周边风机的影响变压器空投时系统的简化示意图如所示,忽略电网等效阻抗、线路、变压器和风机的电阻,所示系统的等效电路如所示。

  其中风机用风机内电势和暂态电抗XW表示。分别为箱变和风电场升压变的漏可见变压器和风机中的电流也是两部分,一部分是为强迫分量,另外一部分为衰减分量。风机与汇集站之间的等效阻抗X2越小,感受到的电流冲击越大。由于变压器饱和后磁化曲线呈现非线性,电流将出现畸变。由于磁通落后电压90°,而电流与磁通同相位,因此该电流为纯无功电流,风电场将感受到感性无功冲击。若考虑线路和变压器的电阻,则有功也将有小幅波动。

  以上分析的结果与实际录波的情况基本一致。此次事件中,风电场B升压变压器空投时,产生了很大的励磁涌流,并且变压器需吸收无功功率构建磁场,从系统吸收无功功率幅值较大,且衰减较慢,造成系统电压下降。距离冲击点电气距离越近、短路容量越小的风电场,感受到的电流冲击越大。空投过程中风电场A的电压和电流不平衡度较大。在变压器空投过程中,动态无功补偿装置需发挥其调节作用,使电压波动及时恢复正常,风电场A动态无功装置在此次事件中,由于响应时间不满足要求以及未有效调节,未对电压起到明显的支撑作用,甚至无序动作,造成与其相连接的35kV母线电压恶化,该母线风机首先脱网。

  4总结文章针对变压器空投引起风机脱网的实例,对所收集的事件背景资料和PMU数据进行分析和计算,对比分析了空投变压器所在风电场和周围风电场的系统电压波动情况及其原因,计算了脱网风电场的电压和电流不平衡度,分析了空投变压器所在风电场和脱网风电场送出线路的有功无功功率以及无功补偿装置调节情况。主要结论如下:变压器空投时会产生很大的励磁涌流,由于地区电网短路容量较小,引起系统电压跌落;距离冲击点电气距离越近、短路容量越小的风电场,感受到的电流冲击越大;由于三相变压器合闸瞬间合闸角不同,使得ABC三相励磁涌流幅值不同,在空投后十几秒内,会出现风电场电压和电流不平衡,可能是风机脱网的主要原因;SVC等无功补偿装置在暂态扰动过程中,对风电场的电压有很大影响,如其有效调节,可能会避免风机脱网事件。