风电机组运行中变流器故障浅析

朱建军

（中国大唐集团新能源股份有限公司北京检修分公司，北京 100071）

风电机组运行中变流器故障浅析

朱建军

（中国大唐集团新能源股份有限公司北京检修分公司，北京 100071）

风电在全国迅猛发展，很多地区都建设了大型的并网式风电场，经过一段时间的运行，其故障后的维护与检修就成为不可回避的问题。本文通过对风电机组变流器经常出现的故障进行了统计分析，并根据现场实际情况提出了一系列的整改措施，在不影响发电控制策略的前提下，优化布局，增设保护，从而减少故障发生率，节约成本，增加效益。

变流器；功率单元； 绝缘栅双极型晶体管； Crowbar

0 引言

近年来，中国风电得到迅猛发展，很多地区都建设了大型的并网式风电场，大量风电机组经过一段时间的运行，其出现故障后的维护与检修就成为不可回避的问题。装设于风电机组与电网之间的电力电子变流装置位置特殊，这些装置一旦发生故障，如不及时处理，轻则会引发波形畸变降低供电质量，重则会影响整个风电机组的发电，甚至危及电网安全。如果能及时发现其故障类型和故障位置，就可以把风电变流装置故障带来的损失降到最小，因此对风电变流器的故障及时进行诊断十分必要。

1 变流器简介

变流器是风电机组中的重要组成部分，其主要作用为在叶轮转速变化情况下，控制风电机组输出端电压与电网电压保持幅值和频率一致，达到变速恒频的目的，并且配合主控完成对风电机组功率的控制，且保证并网电能满足电能质量的要求。变流器在设计和后期改造后可能存在很多缺陷，影响风电机组运行稳定性，所以当变流器发生故障时，必须根据实际生产情况分析其根本原因，及时维护，保证机组正常运行。当电网电压发生故障时，在主控和变桨的配合下，在一定的时间内保持风电机组与电网连接，并根据电网故障的类型提供无功功率，支撑电网电压恢复。根据变速恒频风电机组类型的不同，变流器主要分为全功率变流器和双馈变流器。

全功率变流器匹配多种机型，特别是直驱型机组，由于省去了齿轮箱，维护较为简单，在海上风电优势明显，是大功率海上风电的技术发展趋势之一。双馈型变流器主要匹配双馈型风电机组，目前市场占有率最高，技术也较为成熟。

变流器作为风电机组最核心的部件且又难于国产化，所以国产风电机组采用的变流器多数进口，如ABB、艾默生、超导、西门子等公司，随着近几年变流技术的发展，变流器大多已经国产，如华锐FL1500的超导变流器已经更换国通变流器，金风1500的SWITCH变流器和FREQCON变流器都已经国产化，东汽FD1500的南瑞变流器也渐渐取代了ABB变流器等，目前市场上的变流器或多或少存在一些设计缺陷，在风电机组运行时出现故障，而且维护成本高、备件物流周期长、现场人员工作量大，造成风电机组可利用率低，运行不稳定，一定程度影响了风电场的经济效益和设备运行稳定性。

2 变流器常见故障原因分析

2.1 Crowbar常见缺陷

Crowbar驱动接线及控制电路板和功率单元接线容易发生干扰，虚报变流器故障。

图1为某变流器在低电压穿越改造过程中，走线较为凌乱，如图1所示。

（1）由于变频柜内结构比较紧凑,建议对于弱电线路采用紧贴接地体固定,不要和动力电缆平行布置,应尽量与电缆垂直固定,将弱电平行于主电源固定会对控制线路有一定的电磁干扰,虚报变流器故障，复位故障后可自行消除故障,过一段时间后可能又继续报故障。接地体要可靠接地，接地线截面积是否符合要求，可以尝试更换截面积比较大的接地线；

图1 某风电机组变流器功率柜

（2）为了提高增加Crowbar回路的EMC电磁兼容性，将两个扼流圈分别在控制接线两端，可有效抑制电磁干扰。

2.2 功率单元常见缺陷

变流器运行时经常烧毁功率单元，即IGBT烧毁，影响机组运行稳定性，关于功率单元IGBT的故障一般包括过压击穿和过流烧毁两种，在过压击穿后往往伴随着短路烧毁。为避免这两种故障，在功率单元设计时要注意以下关键要素：

（1）功率单元直流回路采用叠层母排，降低回路杂散参数；

（2）直流支撑电容尽量靠近IGBT，降低电容与IGBT的杂散电感；

（3）采用无感电容作为缓冲吸收回路；

（4）功率单元可靠接地，避免驱动受干扰；

（5）驱动电路具备短路保护和电压的有源钳位功能，可靠的保护IGBT；

（6）IGBT元件额定电流的设计要符合风电机组运行情况。

2.3 其他常见缺陷

（1）部分变流器并网回路未设断路器，不具备短路保护功能在机组发生短路情况下，并网接触器及电网侧变流器的接触器受制于分段能力，因为接触器分断短路电流只局限于是额定电流的几倍，如果短路电流更高，可能发生拉弧烧毁或不能断开（触头粘死）的现象，最终对变流器导致更大的损伤；

（2）变流器在选择电抗器时设计余量小，目前1500kW双馈型变流器电网侧变流器在额定运行时，其电流在210A左右，电机侧变流器在单位功率因数额定运行时，电流在420A作用，0.95功率因数时在530A左右，部分变流器电网侧主回路电抗器额定电流200A左右、电机侧du/dt电抗器额定电流为500A左右，小于目前市面变流器的主流配置，容易过流击穿，运行时温升高，可能会导致因为电抗器温度过高而限功率，影响发电量；

部分变流器存在功率元件IGBT额定电流余量设计过小，市场1500KW主流变流器电网侧IGBT额定电流为305A，电机侧IGBT额定电流为580A。

（3）目前变流器散热有风冷和水冷两种方式，变流器柜体亦需要散热，变流器如果散热效果不好，柜内温度较高，对于电力电子这类热敏感元器件而言，容易降低产品可靠性；

图2 小功率运行（电抗器温度过高）

（4）变流器体积大、质量重、变频柜体空间小，所以安装拆卸困难，可维护性差。有些变流器机侧和网侧集成为一体，如果发生单一器件损坏就必须拆除整个功率单元，大大增加了维护的工作量；

（5）部分变流器无故障数据和人机界面，变流器故障时应保存故障名称和对应故障时刻的关键数据，便于进行故障统计及定位故障原因，通过人机界面可将故障数据进行波形显示和数据库存储。变流器无相关人机界面工具，且没有软件故障名称及故障数据，给故障准确定位带来了困难，也导致运行维护人员无法操作调试变流器，可服务性较差。

3 结语

变流器是风电机组的关键部件，它能否正常工作，直接影响风电机组是否稳定运行，变流器所处现场往往环境恶劣，高温发热、油水脏污、灰尘以及交变的电磁干扰等都无法估计，既影响变流器性能也极易导致变流器故障。目前风电机组中电力电子开关大量使用了绝缘栅双极晶体管（IGBT），当其两端电压过高或过电流导致温度过高，亦或其运行功率超过了在正常工作温度下允许的最大耗散功率（最大集电极功耗）等，都可能导致开关管超过耐受极限而击穿或烧毁，有时甚至是永久性损坏。导致变流器中开关管过电压和过电流的原因是多方面的，常见的有变流器本身的质量问题、元件接触不良以及型号参数不匹配等。此外，风电机组在运行过程中遭遇电网故障，功率无法输送入电网，导致功率直流侧和输出侧电压升高，发电机在运行过程中由于负载突变产生过高的冲击电流，发电机及传输电缆绝缘老化导致匝间或相间短路形成短路电流等，如最终超过元件的耐受限度，都会导致变流器元件故障。所以，分析变流器故障原因，做好预防性维护，对于有故障的变流器应该进行严格检查，认真修理，及时排除故障，保证风电机组稳定运行，提高设备可利用率。

[1]李建林.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京:机械工业出版社, 2008.

[2]张强.风力发电并网变流器工程问题研究[D].合肥:合肥工业大学,2006.

[3] 张兴,张崇巍. PWM可逆变流器空间电压矢量控制技术的研究[J]. 中国电机工程学报,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。

朱建军（1969-），男，中国大唐集团新能源股份有限公司北京检修分公司副总经理，主要从事大型风电机组检修维护，风电机组叶片吊装修复及齿轮箱更换修复工作。