顏庭煜 張馭駒 魯碧桐 吳曉龍

(國(guó)電東北新能源發(fā)展有限公司，123200)

2019年,全球風(fēng)電新增裝機(jī)容量達(dá)到60.4GW，風(fēng)電是現(xiàn)階段最具開發(fā)潛力得到可再生能源之一.[1]風(fēng)電機(jī)組是在波動(dòng)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境中,實(shí)現(xiàn)風(fēng)能捕獲、傳遞和轉(zhuǎn)換的復(fù)雜機(jī)電液一體化裝備,其運(yùn)行工況復(fù)雜多變,面臨高溫、高海拔、強(qiáng)沙塵、臺(tái)風(fēng)等多種極端惡劣環(huán)境條件,涉及多學(xué)科交叉領(lǐng)域,技術(shù)難度極大.[2]風(fēng)電機(jī)組變流器(變頻器)作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將所發(fā)電能并入電網(wǎng)的核心系統(tǒng)，其可靠性、安全性直接決定了風(fēng)電機(jī)組的安全性和穩(wěn)定性.隨著早期大面積開發(fā)的風(fēng)電項(xiàng)目逐步進(jìn)入故障高發(fā)期，而外環(huán)境對(duì)風(fēng)電場(chǎng)、風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性往往還維持比較高的標(biāo)準(zhǔn)，而機(jī)組的設(shè)備可利用率直接決定上述指標(biāo).在機(jī)組運(yùn)行年限逐漸增加的情況下，對(duì)某種機(jī)型，或者說(shuō)對(duì)于某風(fēng)場(chǎng)的某種特定機(jī)型的批量性故障、易發(fā)性故障、重復(fù)性故障和重大故障等進(jìn)行分析與研究，以期查明真實(shí)故障點(diǎn)和故障原因，同時(shí)為后續(xù)減少重復(fù)性故障，避免重大故障等提供理論和事實(shí)依據(jù).

D風(fēng)電場(chǎng)總裝機(jī)容量49.5MW，安裝單機(jī)容量1.5MW的三葉片、上風(fēng)向、永磁直驅(qū)、變速變槳風(fēng)力發(fā)電機(jī)組33臺(tái)，#24風(fēng)機(jī)變頻器采用Freqcon1.5MW(B)型全功率變流器，主控系統(tǒng)采用倍?；赑C的控制系統(tǒng).

1 故障現(xiàn)象描述

某日上午09時(shí)09分，風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)報(bào)警，提示D風(fēng)電場(chǎng)#24風(fēng)機(jī)報(bào)出變流器直流電壓低故障；09時(shí)32分，風(fēng)機(jī)SCADA系統(tǒng)再次報(bào)警，提示D風(fēng)電場(chǎng)#24風(fēng)機(jī)報(bào)出變流器直流電壓低故障；5分鐘后，SCADA系統(tǒng)顯示D風(fēng)電場(chǎng)#24風(fēng)機(jī)機(jī)組通訊丟失.由于雷雨及大風(fēng)天氣，無(wú)法到達(dá)機(jī)位處理故障，待天氣正常后，檢修人員到達(dá)#24風(fēng)機(jī)，檢查發(fā)現(xiàn)變流器柜體及內(nèi)部大面積燒損.

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)變流器頂部冷卻風(fēng)扇熏黑，塔基平臺(tái)至塔筒第一次平臺(tái)間部分熏黑，檢查塔上至塔下動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜等外觀均無(wú)損傷，檢查發(fā)現(xiàn)5個(gè)柜體均有不同程度的燒毀、熏黑的情況.

檢查發(fā)現(xiàn)變流器IGBT1柜和IGBT2柜從下至上均大面積燒損但燒損嚴(yán)重程度不同.如圖1控制柜上部電氣運(yùn)檢燒損情況，控制柜上部PLC部分、電源模塊、接觸器和繼電器等電氣部件燒損嚴(yán)重，柜子上部已經(jīng)熏黑.

測(cè)量制動(dòng)電阻無(wú)阻值，電容柜上部接觸器、線槽等燒損，低壓配電柜上部輕微燒損，其余電容、刀熔開關(guān)等未見異常，如圖2電容柜上部燒損情況.

檢查開關(guān)動(dòng)作情況發(fā)現(xiàn)變流器網(wǎng)側(cè)斷路器未斷開，發(fā)電機(jī)側(cè)斷路器正常斷開，檢查箱變低壓側(cè)斷路器為跳閘狀態(tài).

圖1 控制柜上部電氣運(yùn)檢燒損情況 圖2 電容柜上部燒損情況

3 故障文件分析

根據(jù)機(jī)組報(bào)出故障的先后順序，檢查機(jī)組主控主控PLC生成了1個(gè)故障F文件和2個(gè)故障B文件.分別為“f***_0909_450.html”和B文件“b***_0909_450.txt，b***_0932_450.txt”.

圖3 機(jī)組故障F文件變流器信號(hào)

如圖3機(jī)組故障F文件變流器信號(hào)部分.可知，機(jī)組故障時(shí)刻變流器信號(hào)，檢查發(fā)現(xiàn)機(jī)組erro_converter_signal_DC_link_min信號(hào)為on(觸發(fā))狀態(tài)，表示故障時(shí)刻觸發(fā)故障為變流器直流電壓低，與機(jī)組SCADA系統(tǒng)顯示的故障一致.

根據(jù)機(jī)組制造商給出的變流器直流電壓低故障觸發(fā)邏輯，該故障停機(jī)等級(jí)為7，觸發(fā)變流器故障緊急停機(jī)，變槳系統(tǒng)回槳速度為6°/s，變流器調(diào)制和斷路器同時(shí)斷開.

圖4 故障文件變頻器部分模擬量信號(hào)

如圖4故障文件變頻器部分模擬量信號(hào).可以看出故障時(shí)刻除4號(hào)IGBT為29.7℃外，其余9個(gè)IGBT溫度均在40℃附近，但converter_DC_inductor_temperature顯示溫度為71℃.檢查變流器冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)IGNT冷卻風(fēng)扇1、2和塔基冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定均為68%，電容冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速設(shè)定為74.67%，判斷故障時(shí)刻變流器冷卻系統(tǒng)工作正常.

如圖5機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)功率、電壓曲線圖、圖6機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)轉(zhuǎn)速、變流器狀態(tài)信號(hào)圖、圖7機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)停機(jī)無(wú)功、變流器狀態(tài)信號(hào)圖，分析可知：

顯示故障時(shí)刻前,直流母線電壓未出現(xiàn)電壓波動(dòng)等異常情況，電壓始終穩(wěn)定在1106VDC附近，而制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓值1220V，未達(dá)到觸發(fā)值.數(shù)據(jù)上看，網(wǎng)側(cè)電壓穩(wěn)定.而在故障時(shí)刻直流母線電壓對(duì)稱瞬降至780VDC(粉紅色線).

IGBT4內(nèi)部失效，造成正負(fù)母線間有輕微短路放電致母線電壓瞬降，放電引起制動(dòng)模塊反并聯(lián)二極管短時(shí)失效，投入制動(dòng)電阻過(guò)流，Converter Chopper I電流值瞬間增大到750A曲線降低(藍(lán)色線)，導(dǎo)致制動(dòng)電阻損壞失效.

檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障后20s轉(zhuǎn)速降到0時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量記錄仍有400kW的有功功率，判斷為假值.此時(shí)profi_in_converter_IGBT_ok信號(hào)一直為1，無(wú)功功率維持在-90Kvar,故障后無(wú)功功率增加，說(shuō)明故障后網(wǎng)側(cè)始終在調(diào)制，網(wǎng)側(cè)IGBT單元無(wú)故障.

圖5 機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)功率、電壓曲線圖

圖6 機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)轉(zhuǎn)速、變流器狀態(tài)信號(hào)圖

圖7 機(jī)組故障B文件1(b***_0909_450.txt)停機(jī)無(wú)功、變流器狀態(tài)信號(hào)圖

如圖8機(jī)組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器側(cè)曲線圖、圖9機(jī)組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器信號(hào)圖.

圖8 機(jī)組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器側(cè)曲線圖

圖9 機(jī)組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器信號(hào)圖

分析可知，此次觸發(fā)為第二次觸發(fā)b文件，機(jī)組已經(jīng)處于停機(jī)狀態(tài).直流母線電壓為+436V和-419V.母線電壓偏低、不對(duì)稱但未發(fā)生波動(dòng)，判斷此時(shí)母線還未發(fā)生短路故障，機(jī)組始終觸發(fā)直流電壓低故障.同時(shí)，變流器未觸發(fā)使能和調(diào)制信號(hào).

但變流器網(wǎng)側(cè)斷路器始終為合閘狀態(tài)，機(jī)組有功功率始終維持在-120kW左右，判斷機(jī)組始終在從電網(wǎng)吸收電能，結(jié)合機(jī)組整流電壓為0，直流電流給定為0.說(shuō)明機(jī)側(cè)始終未工作，判斷機(jī)側(cè)正常，可以初步判斷故障點(diǎn)在網(wǎng)側(cè)或母線側(cè).

直流母線電壓存在不對(duì)稱偏低，可能原因是母排電容小范圍失效導(dǎo)致母線電壓不平衡.故障時(shí)刻，母線電壓存在瞬間降低，可以判斷母線存在非正常放電，可能原因是由于母線短路.

4 過(guò)程分析

母排電容小范圍失效，進(jìn)一步導(dǎo)致母線不平衡.故障時(shí)刻，母線正對(duì)負(fù)短路放電，加之變流器網(wǎng)側(cè)斷路器未正常跳閘，網(wǎng)側(cè)始終與電網(wǎng)相連，進(jìn)一步導(dǎo)致IGBT4反并聯(lián)二極管失效，電網(wǎng)能量集中到IGBT，加劇IGBT電容大面積失效，進(jìn)而導(dǎo)致IGBT本體失效.

因故障時(shí)刻母線正對(duì)負(fù)短路，結(jié)合制動(dòng)電阻動(dòng)作情況，可以判斷制動(dòng)電阻正常工作，但由于反向擊穿電流導(dǎo)致制動(dòng)模塊被動(dòng)失效，加之網(wǎng)側(cè)斷路器仍為合閘狀態(tài)，導(dǎo)致故障現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，由于雷雨天氣檢修人員未能及時(shí)到達(dá)機(jī)位，導(dǎo)致故障現(xiàn)象進(jìn)一步擴(kuò)大，最終導(dǎo)致柜體燒損.

5 結(jié) 論

變流器系統(tǒng)作為直驅(qū)型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組最主要的系統(tǒng)之一，直驅(qū)型機(jī)組功率變流器系統(tǒng)是故障率最高的子系統(tǒng).[3]其運(yùn)行可靠性直接關(guān)系機(jī)組安全性.機(jī)組運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，且隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增加，變流器功率模塊、控制器等電力電子元器件均存在由于高低溫運(yùn)行、積灰等原因?qū)е率У目赡?，斷路器機(jī)械結(jié)構(gòu)等存在由于機(jī)械設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位導(dǎo)致斷路器卡澀甚至卡死，斷路器分合閘線圈、儲(chǔ)能電機(jī)等也存在失效導(dǎo)致斷路器不能正常工作的風(fēng)險(xiǎn).

在對(duì)風(fēng)電機(jī)組日常檢修維護(hù)中，要以年度或季度為單位對(duì)變流器功率模塊、電容、二極管單元、控制器等進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)，主要完成電力電子元件電氣性能檢測(cè)，積灰清理等，對(duì)發(fā)現(xiàn)異常的設(shè)備及時(shí)進(jìn)行更換，同時(shí)對(duì)斷路器進(jìn)行專項(xiàng)維護(hù)，確保斷路器分合閘、保護(hù)功能等正常且滿足機(jī)組運(yùn)行要求.通過(guò)對(duì)變流器系統(tǒng)進(jìn)行常規(guī)和專項(xiàng)維護(hù)，以期延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高變流器系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和安全性，避免重大事故的發(fā)生.同時(shí)通過(guò)自動(dòng)消防、火災(zāi)報(bào)警、視頻監(jiān)控等技術(shù)手段有效降低事故擴(kuò)大的可能性，提升風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.