朱建軍

（中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行中變流器故障淺析

朱建軍

（中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

風(fēng)電在全國(guó)迅猛發(fā)展，很多地區(qū)都建設(shè)了大型的并網(wǎng)式風(fēng)電場(chǎng)，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，其故障后的維護(hù)與檢修就成為不可回避的問題。本文通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組變流器經(jīng)常出現(xiàn)的故障進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提出了一系列的整改措施，在不影響發(fā)電控制策略的前提下，優(yōu)化布局，增設(shè)保護(hù)，從而減少故障發(fā)生率，節(jié)約成本，增加效益。

變流器；功率單元； 絕緣柵雙極型晶體管； Crowbar

0 引言

近年來，中國(guó)風(fēng)電得到迅猛發(fā)展，很多地區(qū)都建設(shè)了大型的并網(wǎng)式風(fēng)電場(chǎng)，大量風(fēng)電機(jī)組經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，其出現(xiàn)故障后的維護(hù)與檢修就成為不可回避的問題。裝設(shè)于風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)之間的電力電子變流裝置位置特殊，這些裝置一旦發(fā)生故障，如不及時(shí)處理，輕則會(huì)引發(fā)波形畸變降低供電質(zhì)量，重則會(huì)影響整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電，甚至危及電網(wǎng)安全。如果能及時(shí)發(fā)現(xiàn)其故障類型和故障位置，就可以把風(fēng)電變流裝置故障帶來的損失降到最小，因此對(duì)風(fēng)電變流器的故障及時(shí)進(jìn)行診斷十分必要。

1 變流器簡(jiǎn)介

變流器是風(fēng)電機(jī)組中的重要組成部分，其主要作用為在葉輪轉(zhuǎn)速變化情況下，控制風(fēng)電機(jī)組輸出端電壓與電網(wǎng)電壓保持幅值和頻率一致，達(dá)到變速恒頻的目的，并且配合主控完成對(duì)風(fēng)電機(jī)組功率的控制，且保證并網(wǎng)電能滿足電能質(zhì)量的要求。變流器在設(shè)計(jì)和后期改造后可能存在很多缺陷，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，所以當(dāng)變流器發(fā)生故障時(shí)，必須根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況分析其根本原因，及時(shí)維護(hù)，保證機(jī)組正常運(yùn)行。當(dāng)電網(wǎng)電壓發(fā)生故障時(shí)，在主控和變槳的配合下，在一定的時(shí)間內(nèi)保持風(fēng)電機(jī)組與電網(wǎng)連接，并根據(jù)電網(wǎng)故障的類型提供無(wú)功功率，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)。根據(jù)變速恒頻風(fēng)電機(jī)組類型的不同，變流器主要分為全功率變流器和雙饋?zhàn)兞髌鳌?/p>

全功率變流器匹配多種機(jī)型，特別是直驅(qū)型機(jī)組，由于省去了齒輪箱，維護(hù)較為簡(jiǎn)單，在海上風(fēng)電優(yōu)勢(shì)明顯，是大功率海上風(fēng)電的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)之一。雙饋型變流器主要匹配雙饋型風(fēng)電機(jī)組，目前市場(chǎng)占有率最高，技術(shù)也較為成熟。

變流器作為風(fēng)電機(jī)組最核心的部件且又難于國(guó)產(chǎn)化，所以國(guó)產(chǎn)風(fēng)電機(jī)組采用的變流器多數(shù)進(jìn)口，如ABB、艾默生、超導(dǎo)、西門子等公司，隨著近幾年變流技術(shù)的發(fā)展，變流器大多已經(jīng)國(guó)產(chǎn)，如華銳FL1500的超導(dǎo)變流器已經(jīng)更換國(guó)通變流器，金風(fēng)1500的SWITCH變流器和FREQCON變流器都已經(jīng)國(guó)產(chǎn)化，東汽FD1500的南瑞變流器也漸漸取代了ABB變流器等，目前市場(chǎng)上的變流器或多或少存在一些設(shè)計(jì)缺陷，在風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，而且維護(hù)成本高、備件物流周期長(zhǎng)、現(xiàn)場(chǎng)人員工作量大，造成風(fēng)電機(jī)組可利用率低，運(yùn)行不穩(wěn)定，一定程度影響了風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 變流器常見故障原因分析

2.1 Crowbar常見缺陷

Crowbar驅(qū)動(dòng)接線及控制電路板和功率單元接線容易發(fā)生干擾，虛報(bào)變流器故障。

圖1為某變流器在低電壓穿越改造過程中，走線較為凌亂，如圖1所示。

（1）由于變頻柜內(nèi)結(jié)構(gòu)比較緊湊,建議對(duì)于弱電線路采用緊貼接地體固定,不要和動(dòng)力電纜平行布置,應(yīng)盡量與電纜垂直固定,將弱電平行于主電源固定會(huì)對(duì)控制線路有一定的電磁干擾,虛報(bào)變流器故障，復(fù)位故障后可自行消除故障,過一段時(shí)間后可能又繼續(xù)報(bào)故障。接地體要可靠接地，接地線截面積是否符合要求，可以嘗試更換截面積比較大的接地線；

圖1 某風(fēng)電機(jī)組變流器功率柜

（2）為了提高增加Crowbar回路的EMC電磁兼容性，將兩個(gè)扼流圈分別在控制接線兩端，可有效抑制電磁干擾。

2.2 功率單元常見缺陷

變流器運(yùn)行時(shí)經(jīng)常燒毀功率單元，即IGBT燒毀，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，關(guān)于功率單元IGBT的故障一般包括過壓擊穿和過流燒毀兩種，在過壓擊穿后往往伴隨著短路燒毀。為避免這兩種故障，在功率單元設(shè)計(jì)時(shí)要注意以下關(guān)鍵要素：

（1）功率單元直流回路采用疊層母排，降低回路雜散參數(shù)；

（2）直流支撐電容盡量靠近IGBT，降低電容與IGBT的雜散電感；

（3）采用無(wú)感電容作為緩沖吸收回路；

（4）功率單元可靠接地，避免驅(qū)動(dòng)受干擾；

（5）驅(qū)動(dòng)電路具備短路保護(hù)和電壓的有源鉗位功能，可靠的保護(hù)IGBT；

（6）IGBT元件額定電流的設(shè)計(jì)要符合風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行情況。

2.3 其他常見缺陷

（1）部分變流器并網(wǎng)回路未設(shè)斷路器，不具備短路保護(hù)功能在機(jī)組發(fā)生短路情況下，并網(wǎng)接觸器及電網(wǎng)側(cè)變流器的接觸器受制于分段能力，因?yàn)榻佑|器分?jǐn)喽搪冯娏髦痪窒抻谑穷~定電流的幾倍，如果短路電流更高，可能發(fā)生拉弧燒毀或不能斷開（觸頭粘死）的現(xiàn)象，最終對(duì)變流器導(dǎo)致更大的損傷；

（2）變流器在選擇電抗器時(shí)設(shè)計(jì)余量小，目前1500kW雙饋型變流器電網(wǎng)側(cè)變流器在額定運(yùn)行時(shí)，其電流在210A左右，電機(jī)側(cè)變流器在單位功率因數(shù)額定運(yùn)行時(shí)，電流在420A作用，0.95功率因數(shù)時(shí)在530A左右，部分變流器電網(wǎng)側(cè)主回路電抗器額定電流200A左右、電機(jī)側(cè)du/dt電抗器額定電流為500A左右，小于目前市面變流器的主流配置，容易過流擊穿，運(yùn)行時(shí)溫升高，可能會(huì)導(dǎo)致因?yàn)殡娍蛊鳒囟冗^高而限功率，影響發(fā)電量；

部分變流器存在功率元件IGBT額定電流余量設(shè)計(jì)過小，市場(chǎng)1500KW主流變流器電網(wǎng)側(cè)IGBT額定電流為305A，電機(jī)側(cè)IGBT額定電流為580A。

（3）目前變流器散熱有風(fēng)冷和水冷兩種方式，變流器柜體亦需要散熱，變流器如果散熱效果不好，柜內(nèi)溫度較高，對(duì)于電力電子這類熱敏感元器件而言，容易降低產(chǎn)品可靠性；

圖2 小功率運(yùn)行（電抗器溫度過高）

（4）變流器體積大、質(zhì)量重、變頻柜體空間小，所以安裝拆卸困難，可維護(hù)性差。有些變流器機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)集成為一體，如果發(fā)生單一器件損壞就必須拆除整個(gè)功率單元，大大增加了維護(hù)的工作量；

（5）部分變流器無(wú)故障數(shù)據(jù)和人機(jī)界面，變流器故障時(shí)應(yīng)保存故障名稱和對(duì)應(yīng)故障時(shí)刻的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，便于進(jìn)行故障統(tǒng)計(jì)及定位故障原因，通過人機(jī)界面可將故障數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。變流器無(wú)相關(guān)人機(jī)界面工具，且沒有軟件故障名稱及故障數(shù)據(jù)，給故障準(zhǔn)確定位帶來了困難，也導(dǎo)致運(yùn)行維護(hù)人員無(wú)法操作調(diào)試變流器，可服務(wù)性較差。

3 結(jié)語(yǔ)

變流器是風(fēng)電機(jī)組的關(guān)鍵部件，它能否正常工作，直接影響風(fēng)電機(jī)組是否穩(wěn)定運(yùn)行，變流器所處現(xiàn)場(chǎng)往往環(huán)境惡劣，高溫發(fā)熱、油水臟污、灰塵以及交變的電磁干擾等都無(wú)法估計(jì)，既影響變流器性能也極易導(dǎo)致變流器故障。目前風(fēng)電機(jī)組中電力電子開關(guān)大量使用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT），當(dāng)其兩端電壓過高或過電流導(dǎo)致溫度過高，亦或其運(yùn)行功率超過了在正常工作溫度下允許的最大耗散功率（最大集電極功耗）等，都可能導(dǎo)致開關(guān)管超過耐受極限而擊穿或燒毀，有時(shí)甚至是永久性損壞。導(dǎo)致變流器中開關(guān)管過電壓和過電流的原因是多方面的，常見的有變流器本身的質(zhì)量問題、元件接觸不良以及型號(hào)參數(shù)不匹配等。此外，風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過程中遭遇電網(wǎng)故障，功率無(wú)法輸送入電網(wǎng)，導(dǎo)致功率直流側(cè)和輸出側(cè)電壓升高，發(fā)電機(jī)在運(yùn)行過程中由于負(fù)載突變產(chǎn)生過高的沖擊電流，發(fā)電機(jī)及傳輸電纜絕緣老化導(dǎo)致匝間或相間短路形成短路電流等，如最終超過元件的耐受限度，都會(huì)導(dǎo)致變流器元件故障。所以，分析變流器故障原因，做好預(yù)防性維護(hù)，對(duì)于有故障的變流器應(yīng)該進(jìn)行嚴(yán)格檢查，認(rèn)真修理，及時(shí)排除故障，保證風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備可利用率。

[1]李建林.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2008.

[2]張強(qiáng).風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)變流器工程問題研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2006.

[3] 張興,張崇巍. PWM可逆變流器空間電壓矢量控制技術(shù)的研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2001(10):103-106.

Analysis of the Converter Faults of Wind Turbine Generator

Zhu Jianjun
(Beijing Maintenance Branch of China Datang Corporation Renewable Power Co., Ltd., Beijing 100071, China)

Wind power got rapid development in China, many areas have built large wind farm, aTher a period of operation, maintenance and repair of the post fault has become an unavoidable problem, this paper made a statistical analysis of the faults of wind turbine converters, and put forward a series of improvement measures according to the actual situation, in the premise of not afecting the power control strategy, optimize the layout, add protection, so as to reduce the failure rate, saving cost, increase beneft.

converter ; power unit; IGBT; Crowbar

TM614

A

1674-9219(2013)12-0096-03

2013-11-06。

朱建軍（1969-），男，中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司北京檢修分公司副總經(jīng)理，主要從事大型風(fēng)電機(jī)組檢修維護(hù)，風(fēng)電機(jī)組葉片吊裝修復(fù)及齒輪箱更換修復(fù)工作。