風電機組運行中變流器故障淺析

朱建軍

（中國大唐集團新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

風電機組運行中變流器故障淺析

朱建軍

（中國大唐集團新能源股份有限公司北京檢修分公司，北京 100071）

風電在全國迅猛發展，很多地區都建設了大型的并網式風電場，經過一段時間的運行，其故障后的維護與檢修就成為不可回避的問題。本文通過對風電機組變流器經常出現的故障進行了統計分析，并根據現場實際情況提出了一系列的整改措施，在不影響發電控制策略的前提下，優化布局，增設保護，從而減少故障發生率，節約成本，增加效益。

變流器；功率單元； 絕緣柵雙極型晶體管； Crowbar

0 引言

近年來，中國風電得到迅猛發展，很多地區都建設了大型的并網式風電場，大量風電機組經過一段時間的運行，其出現故障后的維護與檢修就成為不可回避的問題。裝設于風電機組與電網之間的電力電子變流裝置位置特殊，這些裝置一旦發生故障，如不及時處理，輕則會引發波形畸變降低供電質量，重則會影響整個風電機組的發電，甚至危及電網安全。如果能及時發現其故障類型和故障位置，就可以把風電變流裝置故障帶來的損失降到最小，因此對風電變流器的故障及時進行診斷十分必要。

1 變流器簡介

變流器是風電機組中的重要組成部分，其主要作用為在葉輪轉速變化情況下，控制風電機組輸出端電壓與電網電壓保持幅值和頻率一致，達到變速恒頻的目的，并且配合主控完成對風電機組功率的控制，且保證并網電能滿足電能質量的要求。變流器在設計和后期改造后可能存在很多缺陷，影響風電機組運行穩定性，所以當變流器發生故障時，必須根據實際生產情況分析其根本原因，及時維護，保證機組正常運行。當電網電壓發生故障時，在主控和變槳的配合下，在一定的時間內保持風電機組與電網連接，并根據電網故障的類型提供無功功率，支撐電網電壓恢復。根據變速恒頻風電機組類型的不同，變流器主要分為全功率變流器和雙饋變流器。

全功率變流器匹配多種機型，特別是直驅型機組，由于省去了齒輪箱，維護較為簡單，在海上風電優勢明顯，是大功率海上風電的技術發展趨勢之一。雙饋型變流器主要匹配雙饋型風電機組，目前市場占有率最高，技術也較為成熟。

變流器作為風電機組最核心的部件且又難于國產化，所以國產風電機組采用的變流器多數進口，如ABB、艾默生、超導、西門子等公司，隨著近幾年變流技術的發展，變流器大多已經國產，如華銳FL1500的超導變流器已經更換國通變流器，金風1500的SWITCH變流器和FREQCON變流器都已經國產化，東汽FD1500的南瑞變流器也漸漸取代了ABB變流器等，目前市場上的變流器或多或少存在一些設計缺陷，在風電機組運行時出現故障，而且維護成本高、備件物流周期長、現場人員工作量大，造成風電機組可利用率低，運行不穩定，一定程度影響了風電場的經濟效益和設備運行穩定性。

2 變流器常見故障原因分析

2.1 Crowbar常見缺陷

Crowbar驅動接線及控制電路板和功率單元接線容易發生干擾，虛報變流器故障。

圖1為某變流器在低電壓穿越改造過程中，走線較為凌亂，如圖1所示。

（1）由于變頻柜內結構比較緊湊,建議對于弱電線路采用緊貼接地體固定,不要和動力電纜平行布置,應盡量與電纜垂直固定,將弱電平行于主電源固定會對控制線路有一定的電磁干擾,虛報變流器故障，復位故障后可自行消除故障,過一段時間后可能又繼續報故障。接地體要可靠接地，接地線截面積是否符合要求，可以嘗試更換截面積比較大的接地線；

圖1 某風電機組變流器功率柜

（2）為了提高增加Crowbar回路的EMC電磁兼容性，將兩個扼流圈分別在控制接線兩端，可有效抑制電磁干擾。

2.2 功率單元常見缺陷

變流器運行時經常燒毀功率單元，即IGBT燒毀，影響機組運行穩定性，關于功率單元IGBT的故障一般包括過壓擊穿和過流燒毀兩種，在過壓擊穿后往往伴隨著短路燒毀。為避免這兩種故障，在功率單元設計時要注意以下關鍵要素：

（1）功率單元直流回路采用疊層母排，降低回路雜散參數；

（2）直流支撐電容盡量靠近IGBT，降低電容與IGBT的雜散電感；

（3）采用無感電容作為緩沖吸收回路；

（4）功率單元可靠接地，避免驅動受干擾；

（5）驅動電路具備短路保護和電壓的有源鉗位功能，可靠的保護IGBT；

（6）IGBT元件額定電流的設計要符合風電機組運行情況。

2.3 其他常見缺陷

（1）部分變流器并網回路未設斷路器，不具備短路保護功能在機組發生短路情況下，并網接觸器及電網側變流器的接觸器受制于分段能力，因為接觸器分斷短路電流只局限于是額定電流的幾倍，如果短路電流更高，可能發生拉弧燒毀或不能斷開（觸頭粘死）的現象，最終對變流器導致更大的損傷；

（2）變流器在選擇電抗器時設計余量小，目前1500kW雙饋型變流器電網側變流器在額定運行時，其電流在210A左右，電機側變流器在單位功率因數額定運行時，電流在420A作用，0.95功率因數時在530A左右，部分變流器電網側主回路電抗器額定電流200A左右、電機側du/dt電抗器額定電流為500A左右，小于目前市面變流器的主流配置，容易過流擊穿，運行時溫升高，可能會導致因為電抗器溫度過高而限功率，影響發電量；

部分變流器存在功率元件IGBT額定電流余量設計過小，市場1500KW主流變流器電網側IGBT額定電流為305A，電機側IGBT額定電流為580A。

（3）目前變流器散熱有風冷和水冷兩種方式，變流器柜體亦需要散熱，變流器如果散熱效果不好，柜內溫度較高，對于電力電子這類熱敏感元器件而言，容易降低產品可靠性；

圖2 小功率運行（電抗器溫度過高）

（4）變流器體積大、質量重、變頻柜體空間小，所以安裝拆卸困難，可維護性差。有些變流器機側和網側集成為一體，如果發生單一器件損壞就必須拆除整個功率單元，大大增加了維護的工作量；

（5）部分變流器無故障數據和人機界面，變流器故障時應保存故障名稱和對應故障時刻的關鍵數據，便于進行故障統計及定位故障原因，通過人機界面可將故障數據進行波形顯示和數據庫存儲。變流器無相關人機界面工具，且沒有軟件故障名稱及故障數據，給故障準確定位帶來了困難，也導致運行維護人員無法操作調試變流器，可服務性較差。

3 結語

變流器是風電機組的關鍵部件，它能否正常工作，直接影響風電機組是否穩定運行，變流器所處現場往往環境惡劣，高溫發熱、油水臟污、灰塵以及交變的電磁干擾等都無法估計，既影響變流器性能也極易導致變流器故障。目前風電機組中電力電子開關大量使用了絕緣柵雙極晶體管（IGBT），當其兩端電壓過高或過電流導致溫度過高，亦或其運行功率超過了在正常工作溫度下允許的最大耗散功率（最大集電極功耗）等，都可能導致開關管超過耐受極限而擊穿或燒毀，有時甚至是永久性損壞。導致變流器中開關管過電壓和過電流的原因是多方面的，常見的有變流器本身的質量問題、元件接觸不良以及型號參數不匹配等。此外，風電機組在運行過程中遭遇電網故障，功率無法輸送入電網，導致功率直流側和輸出側電壓升高，發電機在運行過程中由于負載突變產生過高的沖擊電流，發電機及傳輸電纜絕緣老化導致匝間或相間短路形成短路電流等，如最終超過元件的耐受限度，都會導致變流器元件故障。所以，分析變流器故障原因，做好預防性維護，對于有故障的變流器應該進行嚴格檢查，認真修理，及時排除故障，保證風電機組穩定運行，提高設備可利用率。

[1]李建林.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京:機械工業出版社, 2008.

[2]張強.風力發電并網變流器工程問題研究[D].合肥:合肥工業大學,2006.

[3] 張興,張崇巍. PWM可逆變流器空間電壓矢量控制技術的研究[J]. 中國電機工程學報,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。

朱建軍（1969-），男，中國大唐集團新能源股份有限公司北京檢修分公司副總經理，主要從事大型風電機組檢修維護，風電機組葉片吊裝修復及齒輪箱更換修復工作。