基于虚拟示波器的风电变流器故障案例分析

文|杨井润，何志强，许雄伟，丁松，谭启明

变流器作为风电机组的核心部件之一，保障其性能稳定至关重要。如果变流器出现故障，传统的故障处置方法是通过运维人员多次登机排查来确认故障源并进行处置。这种处理思路会造成故障处置时间长、风电机组停机时间长，多次登机排查还会影响运维人员的身体健康。因此，在现场运维中亟需找到一种科学有效的方法以提升风电机组故障源确认速度、减少故障处置时间和风电机组停机时间，并降低运维人员登机排查次数。

应用虚拟示波器软件技术对从风电机组变流器下载的大量数据进行详细分析，提取有用信息进行综合判断，根据最终形成的诊断结论进行精准化故障处理即是一种经过实践的有效方法。目前这一技术在风电行业变流器故障诊断应用中尚处于初期，在风电行业还未得到充分应用，风电场运维人员对此了解较少。

本文以内蒙古某风电场35#风电机组变流器过流故障为例，使用CSR-Drive虚拟示波器软件的故障波形子模块对风电场典型故障进行数据分析，根据故障日志查找故障原因并进行故障处置。

CSR-Drive软件简介

CSR-Drive是一款集监控、司控操作和故障数据分析于一体的虚拟示波器分析软件，分为系统设置、软件管理、慢速数据波形、实时波形监视、司控台和故障波形六个模块。其利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用。本文中使用的虚拟示波器软件具有高分辨率、高精度、事件可精确记录和回看的特点，利用虚拟示波器软件中的专有功能，风电场运维人员可以对故障数据进行全面分析，进而精准定位故障的根本原因，为风电机组变流器故障诊断提供强有力的理论指导与信息支持，大大缩减故障处理时间和成本，大大提升故障处理效果，产生明显的技术和经济效益。

变流器工作原理及参数

图1 CSR-Drive软件

表1 WT1650型机组双馈变流器的主要电气参数

位于内蒙古乌兰察布市的某风电场，共安装有75台WT1650型的风力发电机组，机组的主要电气参数如表1所示。风力发电机组的变流器电网电压为690V，允许波动范围为±10%。变流器的拓扑结构如图2所示，采用的是ACDC-AC背靠背的结构。由图2可以看出，变流器一端连接于电网，另一端连接于双绕组发电机的转子侧，变流器的作用就是向发电机转子提供变频、变幅、变相位的励磁电流，以实现风力发电机组在风速变化的情况下输出频率恒定、功率可控的电能，同时在电网需要无功功率时，可控制发电机定子向电网输出一定容量的无功功率。

变流器故障分析

2016年5月，该风电场35#风力发电机组变流器发生故障。现场技术人员通过SCADA客户端查看风力发电机组控制面板的信息发现，机组所报出的故障代码1为536，描述为由功率变频器发现的故障；故障代码2为513，描述为由功率变频器测试发现的脱网；同时查阅变流器菜单中子故障代码为99，描述为电网故障；存储故障代码为171，描述为ADOCF2A（FPGA检测到变流器B相AD采样过流）。风电场技术人员使用专业软件CSR-Drive进行分析来获取最有价值的故障信息，具体步骤如图3所示。

通过上述专用软件CSR－Drive下载变流器故障数据，对故障时波形进行数据分析。

一、对变流器机侧三相电流和Crowbar直流电压进行分析

图2 变流器系统拓扑结构

图3 风电机组变流器故障分析方法流程图

故障时的变流器机侧电流波形如图4所示，Crowbar直流电压如图5所示。综合分析图4、图5可知，变流器机侧三相电流前后共出现3次故障冲击电流。第1次：机侧B相电流在-906至-904ms出现了故障电流，其最高电流达到960A，由于机侧B相电流值过大触发了Crowbar单元；第2次：机侧C相电流在-395至-382.5ms出现了故障电流，其最高电流达到1075A；机侧A相电流在-395至-380ms出现了故障电流，其最高电流达到-1150A；第3次：机侧B相电流在-329至-317ms出现了故障电流，其最高电流达到1150A；机侧A相电流在-329至-317ms出现了故障电流，其最高电流达到-1050A。由于机侧A、B相电流值过大触发了Crowbar单元。变流器总体故障时间段为-906至-317ms，GSC彻底关断时刻为-292ms。分析机侧三相电流可知，变流器机侧A、B、C三相均发生过电流故障，由此可以判定变流器机侧模块或者发电机转子侧回路（发电机转子—发电机滑环—连接电缆）有故障。

二、对变流器网侧三相电流进行分析

图4 变流器故障时机侧三相电流波形图

图5 变流器故障时Crowbar直流电压波形图

图6 变流器故障时网侧三相电流波形图

故障时的变流器网侧电流波形如图6所示。分析图6可知，变流器网侧三相电流在故障期间总体故障时间为-907至-315ms。网侧A相电流共发生过流10次，最大电流可达850A；网侧B相电流共发生过流10次，最大电流可达-900A；网侧C相电流共发生过流11次，最大电流可达900A；LSC彻底关断时刻为-314ms。分析网侧三相电流可知，变流器网侧A、B、C三相均发生过电流故障，由此可以判定变流器网侧模块有故障。

三、对电网三相电流进行分析

故障时的电网三相电流波形如图7所示。分析图7可知入网电流的详细信息，在变流器故障时间段-906至-676ms，电网A相电流共发生过流故障3次，最大电流可达5450A（已达电流测量上限）；电网B相电流共发生过流故障4次，最大电流可达5450A（已达电流测量上限）；电网C相电流共发生过流故障4次，最大电流可达5450A（已达电流测量上限）；塔基断路器的断开时刻为-676ms。由电网三相电流分析得知，电网A、B、C三相均发生过电流故障，断路器及时切断故障电流防止了故障的进一步扩大，由此可以判定发电机定子绕组或电网线路发生故障。塔基断路器没有出现拒动的现象，断路器功能完好。

四、对变流器直流母线电压进行分析

故障时的变流器直流母线电压波形如图8所示。由图8可知，变流器直流电压的故障总体时间段为-885至-164ms，故障时刻为1100V。其中在-884至-650ms时发生跌落，最低至772V，跌落原因为变流器网侧平均电流大于变流器机侧平均电流；在-650至-164ms时发生上涨，最高达1227V，上涨原因为变流器机侧平均电流大于变流器网侧平均电流。

五、对电网电压进行分析

故障时的电网电压波形如图9所示。分析图9可知，电网电压在-906ms发生了严重冲击，甚至跌落至零，电网电压的波形发生紊乱，机组中的定子接触器、网侧接触器断开时刻为430ms，在塔基的辅变柜中断路器的断开时刻为-676ms。

六、对发电机转速进行分析

故障时的发电机转速波形如图10所示。从图10转速趋势可以看出，故障前转速为1810rpm，在-640ms时刻开始上升到1870rpm，这是由于系统脱离了电网，电磁负载锐减，传动链系统的能量稍有积聚，属于正常超速。

图7 变流器故障时电网三相总电流波形

图8 变流器故障时直流电压波形图

图9 变流器故障时电网电压波形图

图10 变流器故障时发电机转速波形图

通过上述波形分析，在-906至-676ms间，由于发电机定子绕组损坏导致电网三相电流出现过流现象，受此影响，电网电压严重跌落，变流器机侧B相也出现了过电流故障，并触发了Crowbar回路对转子进行泄能，变流器直流母线电压下降至772V，变流器网侧三相电流发生了过电流故障。随后，由于变流器机侧、网侧电压在-500ms时数值跌落至正常范围，主控对故障进行了自复位，变流器启动。首先对直流母线进行了预充电，由于发电机定子绕组已经损坏，使得变流器机侧、网侧电压电流值再次过流，其中变流器机侧达到1000A以上，变流器网侧达到900A，因变流器机侧平均电流大于变流器网侧平均电流，直流母线电压抬升至1227V，此时再次触发Crowbar回路对转子进行泄能。因此可以判定该故障由发电机定子绕组绝缘损坏导致，可能会连带导致Crowbar回路损坏。

变流器故障处置

通过系统分析，可确定35#机组所报出的变流器机侧过流故障，主要是有两个故障源，一个是发电机定子绕组绝缘损坏，另一个则是Crowbar回路异常。

驻现场的风电机组运维人员登机，使用绝缘电阻测试仪对发电机的定子转子绕组的绝缘性进行了检查。测得的发电机定子绕组的U相对地电阻为131kΩ，V相对地电阻为<<69.7kΩ，W相对地电阻为143kΩ；转子绕组的K相对地电阻为32.3GΩ，L相对地电阻为21.4GΩ，M相对地电阻为28.1GΩ。检查发电机定子侧电缆，发现有两相电缆存在破皮现象，同时能闻到一股焦糊味。由此可以判定，发电机定子绕组对地绝缘已经损坏，需要更换发电机。

现场运维人员完成发电机更换工作后，启机过程中报出变流器故障，故障代码1为536，描述为由功率变流器发现的故障；故障代码2为513，是由功率变流器测试发现的脱网；变流器子故障为电网故障；变流器存储故障为172（FPGA检测到变流器C相AD采样过流）。再次进行手动Crowbar测试，发现声音异常，说明GSC确实过流。手动进行变流器静态测试，GSC ON大约两分钟后报出故障，变流器存储故障为8（网压过压）及170（FPGA检测到变流器A相AD采样过流），现场使用万用表再次对发电机进行绝缘测试，测得转子、定子对地为∞Ω，使用绝缘测试仪测量转子、定子值分别为18.3GΩ、10.3GΩ，可以判定发电机绝缘正常。甩开Crowbar单元再次做Crowbar测试，无过流声音，报故障代码为525、536，对机组做变流器静态测试，无过流声音，报故障代码为525、536，由以上信息可以判定过流故障点在Crowbar单元。使用绝缘电阻测试仪1000V档测试二极管反向电阻未发现异常，而使用绝缘电阻测试仪2500V档再次测试二极管反向电阻时，发现二极管第C组的电阻值存在异常，为766MΩ，而二极管第A组及B组的电阻值分别为2.89GΩ和4.33GΩ。更换Crowbar控制柜内的第C组二极管后，再次尝试启机，机组最终成功并网运行。

结论

总结此次35#机组所报出的变流器机侧过流故障，可以发现主要是由两个故障点引起，一个是发电机定子绕组绝缘损坏，另一个则是Crowbar控制柜内的第C组二极管损坏。在风电场中引起变流器故障的因素一般比较复杂而且隐蔽，现场运维人员仅凭常用的维护工具，往往难以在第一时间快速诊断故障点，而使用本文所述的虚拟示波器软件技术，可以起到事半功倍的效果，能够及时解决变流器故障引起的机组停机，确保风力发电机组及时恢复运行。