风电机组变流器故障缺陷研析

杨培文 熊国专 陈铁 张金强

（龙源（北京）风电工程技术有限公司 北京 100000）

0 引言

能源与环境问题是当今人类生存和发展所要解决的紧迫问题。电力行业是关系国计民生的基础性支柱产业，与国民经济发展息息相关。随着我国2030 年碳达峰和2060 年碳中和宏伟目标的确定，化石能源的变革加速，新能源将占据越来越重要的作用，风力发电是最主要的新能源形式之一。随着风电单机容量的不断增加，变流器容量也在逐渐变大，变流器性能的优劣、故障率的高低直接影响着风电机组的发电效率和企业的利益。变流器是风力发电机组的重要组成部分，对风电机组可靠并网、电网电压波动、维持稳定的输出输入频率及高/低电压穿越保护等起到重要作用。变流器主要由机侧变流器、网侧变流器、并网部分、控制部分、制动部分、滤波电路等辅助电路组成，每部分出现故障，都会导致变流器整体性能的下降。经调研及多年风电运维经验发现，运行5 a 左右的变流器，故障或集中缺陷问题将会逐渐爆发，严重影响机组安全稳定运行。因此深入研究风电变流器故障缺陷爆发的原因及部件损坏情况，对了解风电变流器性能，研究如何降低变流器故障率，延长变流器使用周期，保障变流器的可靠性具有重要的意义和指导意义。

1 变流器故障原因

变流器故障是由多种因素综合或是长期积累的结果。为了避免突发故障停机造成变流设备损坏，影响发电量，应当在故障发生之前提前发现并更换这些有缺陷的组件，消除故障及安全隐患。

经研究发现，影响变流器性能因素主要有硬件本体缺陷、控制逻辑、工作环境温度、散热性能、湿度、电磁干扰、灰尘和日常维护等。为了更好地掌握变流器的故障情况及变流器运维技术，根据引起变流器部件损坏情况，将变流器故障为2类：真性故障和假性故障。其中，变流器假性故障远多于真性故障，假性故障占比80%左右。

（1）真性故障。变流器系统部件损坏，直接或间接影响变流器工作，引起变流器停机，备件损坏，严重者可导致机组炸裂、着火等，可通过更换部件等方式消除故障。

（2）假性故障。变流器系统部件不损坏，处于超限或受干扰等状态，引起故障或保护停机，可通过复位、重启方式重新工作，不需要更换部件。重复发生，有导致真故障的可能性。

2 故障原因解析

经过多年风电变流器运维实践及研究发现，引起变流器故障的因素很多，主要原因可以归纳为5 个方面。

2.1 环境因素

（1）温度。温度是影响变流器性能的最重要因素。变流器是电力电子元器件的组合体，电力电子元器件性能受环境因素尤其温度影响比较大。随着温度的升高，变流器性能会降低，故障最终在薄弱环节开始爆发。这也是为什么变流器工作初期（1 a～3 a）故障低下、5 a 后变流器开始故障频发的主要原因。

（2）湿度。湿度也是影响变流器性能的重要因素，长期工作在湿度较大的环境中，会导致变流器整体绝缘性能降低、锈蚀、到时绝缘薄弱、发生电离等情况。

（3）振动。振动也是影响变流器性能的一个重要因素，经常性振动会导致变流器接线松弛，发生接触不良或放电现象，频繁出现故障。

（4 ）灰尘。灰尘也是导致变流器性能降低的一个重要因素，灰尘堆积不仅会导致变流器板卡、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等元器件散热性能降低，有时还会发生放电情况，导致变流器故障。

2.2 变流器本体

（1）变流器设计缺陷。变流器设计缺陷是指在变流器设计阶段，受制于当时技术水平或设计能力等原因，导致变流器存在硬件选型不匹配、结构、散热布局不合理、控制算法与逻辑存在缺陷等问题，初始阶段变流器能正常工作，但是运行一段时间后，变流器会集中爆发相似的故障，并且具有一定的倾向性，随着时间的增长，故障严重程度会逐渐增加。

（2）变流器部件老化。电力电子元器件都有一定的寿命周期，随着环境的影响及使用周期的延长，其性能会呈现下降趋势，最终出现部件老化、损坏，导致变流器故障。

（3）变流器损坏。因过流、过压等故障情况或其他未可知原因引起变流器模块或辅助电路发生损坏，表现形式为硬件损坏或引荐功能失效。

2.3 变流器裕量降低

随着风电机组容量的不断增加，变流器结构日趋模块化，同一容量的变流器模块使用到不同容量机组上，使机组变流器裕量不同，裕量较低的变流器潜在故障提高。因此，要加强变流器硬件的跟踪。

2.4 电网故障因素

（1）谐波扰动。电网谐波等原因导致电源幅值、相位、频率的变化瞬时或在一定的时间内超过变流器的设定保护范围引起的故障，严重时可以损坏变流器硬件。

（2）电网电压波动。电网电压波动引起变流器脱网或变流器损坏。

（3）高/低穿问题。风电机组变流器高/低穿功能无法实现或反应速度不够，引起变流器故障，可导致变流器硬件损坏。

2.5 其他因素

变流器其他部件或其他系统产生的电磁场、信号波等对变流器的正常工作产生干扰作用，导致变流器误动作或故障触发，严重的可以引起变流器硬件损坏。

3 变流器常见部件损坏

3.1 变流器功率模块炸裂

IGBT 模块存在多种失效形式，主要包括键合线脱落和焊料层老化等。根据失效的部位不同，可将IGBT 失效分为芯片失效和封装失效两类。引发IGBT 芯片失效的原因有很多，如电源或负载波动、驱动或控制电路故障、散热装置故障、线路短路等，但最终的失效都可归结为电击穿和热击穿2 种，其中电击穿失效的本质也是温度过高的热击穿失效。IGBT 热失效的原因有多种，比如散热装置不良、电流过大、浪涌电流冲击、短路电流冲击等，各种原因造成的IGBT 热失效机理和失效模式并不相同。由变流器功率模块内部温度的波动及不同材料热膨胀系数的不匹配而产生的交变热应力，是变流器功率模块老化失效的根本原因，见图1。

图1 IGBT 模块损坏

3.2 变流器母排放电

经过对放电的变流器母排研究发现，击穿部位多发生在铜排拐角处、螺栓固定处等位置，见图2。

图2 变流器母排放电

变流器母排放电受环境因素影响，在不同区域表现出不同的形式。在研究过程中发现，北方和南方的变流器故障表现形式略有不同，北方多灰尘、铁矿，导致铁矿粉尘进入变流器柜，造成变流器母排放电击穿；南方风电场多高温、潮湿、盐雾等气候条件，高温、潮湿、盐雾腐蚀等导致绝缘垫片老化加剧，绝缘性能下降，潮湿的天气，加速母排放电的机率；该环境还引起变流器铜排出现不同程度的锈蚀现象，使其导电性能下降或接触不良，导致绝缘垫片老化加剧。

3.3 变流器稳压电容老化

变流器稳压电容包含2 类：电解电容和薄膜电容，薄膜电容采用金属镀层作为电解质，且有较低的ESR（Equivalent Series Resistance 的缩写，中文意思等效串联电阻），故寿命可在8 万h～10 万h，超过20 a。铝电解电容器一般标称电容的寿命为4 000 h，85 ℃。实际运行的寿命可按照工作温度每低于10 ℃寿命增加2 倍来计算，且工作在额定纹波电流时，温度按照增加5 ℃计算，如实际工作温度为60 ℃，则寿命约为16 000 h，寿命为5 a～8 a。铝电解电容因为使用电解液作为介电质，其失效速度与电解液的挥发速度有关。变流器稳压电容故障或劣化表现形式主要有电容放电、漏液、变形鼓包、裂纹、容量降低等，见图3。

图3 变流器电解电容老化

3.4 变流器控制板卡老化

变流器上使用的电路板较多，包括IGBT 驱动板、控制板、分配板、电源板、功率板、过压保护板、采集板等。随着运行年限增多，电路板碳化、焊点氧化、腐蚀、生锈，三防漆脱落、元器件老化等问题。其中电路板碳化、元器件老化是影响寿命的主要因素。

3.5 散热器性能下降

水冷变流器散热器管壁及扰流丝结垢、水冷系统压力不足，水流量不够、水冷液更换不及时、水冷管道过滤网堵塞、外冷散热器芯体散热片排布形式容易堵塞。风冷变流器柜滤网、散热器堆积灰尘（见图4）、油污等，减少热交换面积，热阻系数的增大，散热能力下降。

图4 散热器灰尘堆积

4 变流器故障解决方案

4.1 部件周期更换

随着使用周期的增加，变流器部件使用寿命到期，相同的部件会频繁出现损坏或性能降低，无法满足使用要求，会对变流器性能造成影响，需要提前进行预防性检测和周期性更换。根据风电变流器性能研究及故障发生情况，结合运维经验，确定变流器部分部件主要更换和检测周期如表1 所示。

表1 风电变流器部件更换周期

4.2 加强日常维护

针对频发的变流器故障问题，风电场多采用更换部件解决问题，但无法有效降低故障率。通过对变流器故障的研究，确定解决变流器故障缺陷方案应侧重于3 个方面：①加强变流器深度维护，改善工作环境；②周期性更换易损部件，降低故障突发；③针对性的开展变流器技改，消除部分缺陷等。

从经济性等多方面综合分析，加强变流器深度预防维护，改善工作环境是解决变流器故障频发的最优方案。因此，加强对变流器深度运行维护，以较少的成本改善变流器工作环境，降低变流器故障率，提高性能，延长使用周期，就很有必要了。

5 结论

通过对风电变流器故障原因及部件损坏情况进行详细分析。针对频发的变流器故障问题提出了3 个方面解决方案：加强风电变流器深度维护、周期性更换易损部件和针对性地开展变流器技改等方案，明确了风电变流器部件更换周期，确定了对变流器深度预防维护为最优解决方案，为后续变流器故障研究和解决问题提供了依据，指明了方向。