风电变流器中IGBT过流故障分析及应对措施

张满超

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南 三门峡 472000）

风电变流器中IGBT过流故障分析及应对措施

张满超

（大唐河南清洁能源有限责任公司，河南 三门峡 472000）

风机变流器的IGBT频繁报过流故障，使风机不能正常运行，直接造成风机的利用率降低，所以通过对风电变流器IGBT常见的各种故障进行具体分析，总结了故障过流、故障过压、过温的检测办法和出现这些故障的原因，其中变流器过流故障发生频繁，通过对变流器长期运行数据的参考和风机厂家的交流对驱动电路的改进，避免了IGBT运行中的这些故障。

变流器；IGBT；风机；过流故障

随着国家的发展，电力行业对清洁能源进行了开发，风力发电是目前新能源焦点之一，我国目前的主流机型是1.5MW、2MW、3MW等级的双馈、直驱和半直驱风机，由于风机处的环境恶劣所以要求风机变流器要稳定运行才能保证风机正常发电，才能提高风机的可利用率，变流器是连接风力发电机和电网之间的桥梁，而大功率半导体器件决定了变流器对电能转换的性能，所以大功率半导体器件的作用非常重要。

1 概述

风力发电在整个世界电力市场上呈现出强劲的发展势头，为了推动并网型风力发电的发展，国家发改委组织制定的《可再生能源中长期发展规划》中明确要求，2010年全国风电装机容量达到500万kW，2020年全国风电装机容量达到3000万kW。国家发改委和科技部在十五期间，就已将“兆瓦级风电机组”列入国家重大产业发展计划，而2006年1月1日我国第一部《可再生能源法》的发布实施，为我国可再生能源发展创造了良好的法律和规划框架。我国风能资源丰富，陆地可开发风能储量2.53亿kW，海上风能储量7.5亿kW，总计10亿kW。加快风电发展，对于增加能源供应，调整能源结构、保护生态环境、实现可持续发展具有重要作用。

技术和设备制造上的落后是制约我国风电产业发展的关键问题，双馈异步风力发电机变流器是变速恒频双馈异步风电机组的核心部件，国内一直没能研发出成熟的工业产品，主要依赖进口。目前，大部分风机的变流器使用的是绝缘栅双极型晶体管（Insolated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT），文章通过对变流器各种类型的过流故障分析及应对措施。

2 过流故障分析及应对措施

造成变流器过流故障的原因有多种，文章主要从预充电回路故障、电网侧变流器故障以及转子侧变流器故障三个方面重点阐述。

2.1 预充电回路故障造成变电器过流

变流器的电气接线如图1所示。变流器设置的预充电回路，主要是平衡电网侧滤波器件的电流，避免出现过流现象。当风电机组开始运行达到并网转速状态时，预充电接触器K2开关处于闭合，变频器直流母排充电达到970VDC时，电网侧的变流器运行，直流母排电压开始出现逆变，直至A点电压达到690VAC，而此时状态下电流的数值为57A。一旦整个变流器的电器系统缺少预充电环节，电网侧接触器K1将会直接闭合，造成A点瞬间电流过大。除此之外，变流器的预充电回路出现22Ω充电电阻的短路故障，那么这个电阻不会再发挥限流作用，也将导致充直流母排发生充电过流，变流器报过流故障。

一旦出现以上的过流反应，可以使用万用表进行预充电回路充电电阻的阻值测量，保持两块电阻的数值为22Ω，进而确认充电电阻是否需要更换。另外，做好充电电阻接线端情况的检查工作，不能出现接头松弛现象，保持直流的正极回路接线与负极回路接线之间没有异物；做好预充电回路电压、电流检测装置以及检测装置的线路运行状况，复核没有产生虚接、短路；复核电网侧的接触器K1、预充电接触器K2吸合、断开功能是否正常，主回路接线与控制回路接线是否紧固牢靠，控制回路接线的屏蔽线是否可靠接地。

简单来讲，变电器的预充电回路出现过流现象时，回路中3×8A的熔断器将会自我保护自动熔断。可以进行预充电回路3×8A熔断器卡槽内的每一相熔断器检查，并进行电阻值的测量。已经熔坏的熔断器在进行更换时，应注意使用相同规格型号的熔断器。

2.2 电网侧变流器故障造成变电器过流

预充电完成后，电网侧变流器接触器K1处于闭合，同时预充电接触器处于K2断开，电能可以直接由电网侧变流器送至直流母排，测得母排电压为1050VDC，电网侧变流器提供系统所需无功能量，包括电抗器、高频滤波装置等。当电网侧变流器发生故障时，电网侧变流器接触器K1闭合的瞬间，变流器报过流故障。

电网侧变流器故障造成变电器过流的处理措施：

（1）检查变流器电网侧电抗器。测量电抗器三相相间阻值及单相对地阻值。相间阻值应对称相等，单相对地应绝缘，绝缘阻值一般在1.5MΩ以上。

（2）检查电网侧阻容滤波回路。阻容滤波回路中的各电阻、电容外观正常，接线端无烧黑痕迹。其次，测量滤波电阻阻值，6块滤波电阻的阻值均为1Ω，且每块电阻两端接线均应对地绝缘。测量时，应把待测电阻隔离，避免外围电路影响测量结果。同时，逐一测量0.1uF的滤波电容，电容两接线端之间应无击穿现象。

（3）检查电网侧阻容滤波回路3×150A熔断器。一般情况下，阻容滤波回路中的电阻或电容烧毁、击穿时，引起的过电流会使得电网侧阻容滤波回路3×150A熔断器熔断。用万用表测量每相150A熔断器阻值，若已熔断，则需要更换相同规格型号的熔断器。

（4）检查电网侧变流器IGBT。电网侧变流器每相3块IGBT，三相共9块IGBT，检查时应分相分块进行。IGBT外观应无烧黑、开裂痕迹。用万用表测量每相IGBT整流桥交流侧与直流母排之间的电阻值，三次测量结果应一致。若阻值明显不一致，则逐一检查9块IGBT。由于每一相的3块IGBT为并联接线，检查时应把待测IGBT隔离，避免外围电路影响检查结果。

2.3 转子侧变流器故障造成变电器过流

当电能从电网侧变流器送至直流母排，母排电压为1050VDC，由电网侧变流器提供系统所需无功能量之后，转子侧变流器启动，电网侧变流器电流为80A左右，转子侧变流器电流为20A左右。当转子侧变流器发生故障时，变流器报过流故障。

转子侧变流器故障造成变电器过流的处理措施与电网侧变流器故障导致过流的处理措施基本一致。只是在转子侧阻容滤波回路中电阻的参数不同，转子侧阻容滤波回路中3块电阻的阻值均应为47Ω。

3 结语

通过文章对双馈风电机组变流器过流故障的分析可知，在不同跌落深度、不同功率、不同短路故障类型下，双馈型风机变流器各项测试指标均满足国家电网标准要求。检修人员应该在充分了解变流器过流故障特点的基础上，进行一次、二次回路的复核工作，做好相对应的处理措施，使风电机组进行正常运行。

［1］高瑞.风电变流器中IGBT常见故障分析及应对措施［J］.机电信息，2013，（18）：58-69.

［2］胡小康.双馈风力发电机组变流器过流故障分析与处理［J］.电力设备，2017，（2）：31-33.

［3］马俊兴，孙汉卿.IGBT短路保护的驱动电路的设计［J］.机电信息，2014，（12）：88-91.

张满超（1991-），男，河南周口人，主要研究方向：IGBT变流器故障。