風(fēng)電變流器中IGBT過(guò)流故障分析及應(yīng)對(duì)措施

張滿超

（大唐河南清潔能源有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000）

風(fēng)電變流器中IGBT過(guò)流故障分析及應(yīng)對(duì)措施

張滿超

（大唐河南清潔能源有限責(zé)任公司，河南 三門峽 472000）

風(fēng)機(jī)變流器的IGBT頻繁報(bào)過(guò)流故障，使風(fēng)機(jī)不能正常運(yùn)行，直接造成風(fēng)機(jī)的利用率降低，所以通過(guò)對(duì)風(fēng)電變流器IGBT常見的各種故障進(jìn)行具體分析，總結(jié)了故障過(guò)流、故障過(guò)壓、過(guò)溫的檢測(cè)辦法和出現(xiàn)這些故障的原因，其中變流器過(guò)流故障發(fā)生頻繁，通過(guò)對(duì)變流器長(zhǎng)期運(yùn)行數(shù)據(jù)的參考和風(fēng)機(jī)廠家的交流對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的改進(jìn)，避免了IGBT運(yùn)行中的這些故障。

變流器；IGBT；風(fēng)機(jī)；過(guò)流故障

隨著國(guó)家的發(fā)展，電力行業(yè)對(duì)清潔能源進(jìn)行了開發(fā)，風(fēng)力發(fā)電是目前新能源焦點(diǎn)之一，我國(guó)目前的主流機(jī)型是1.5MW、2MW、3MW等級(jí)的雙饋、直驅(qū)和半直驅(qū)風(fēng)機(jī)，由于風(fēng)機(jī)處的環(huán)境惡劣所以要求風(fēng)機(jī)變流器要穩(wěn)定運(yùn)行才能保證風(fēng)機(jī)正常發(fā)電，才能提高風(fēng)機(jī)的可利用率，變流器是連接風(fēng)力發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)之間的橋梁，而大功率半導(dǎo)體器件決定了變流器對(duì)電能轉(zhuǎn)換的性能，所以大功率半導(dǎo)體器件的作用非常重要。

1 概述

風(fēng)力發(fā)電在整個(gè)世界電力市場(chǎng)上呈現(xiàn)出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，為了推動(dòng)并網(wǎng)型風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展，國(guó)家發(fā)改委組織制定的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中明確要求，2010年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到500萬(wàn)kW，2020年全國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)到3000萬(wàn)kW。國(guó)家發(fā)改委和科技部在十五期間，就已將“兆瓦級(jí)風(fēng)電機(jī)組”列入國(guó)家重大產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃，而2006年1月1日我國(guó)第一部《可再生能源法》的發(fā)布實(shí)施，為我國(guó)可再生能源發(fā)展創(chuàng)造了良好的法律和規(guī)劃框架。我國(guó)風(fēng)能資源豐富，陸地可開發(fā)風(fēng)能儲(chǔ)量2.53億kW，海上風(fēng)能儲(chǔ)量7.5億kW，總計(jì)10億kW。加快風(fēng)電發(fā)展，對(duì)于增加能源供應(yīng)，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要作用。

技術(shù)和設(shè)備制造上的落后是制約我國(guó)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題，雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器是變速恒頻雙饋異步風(fēng)電機(jī)組的核心部件，國(guó)內(nèi)一直沒能研發(fā)出成熟的工業(yè)產(chǎn)品，主要依賴進(jìn)口。目前，大部分風(fēng)機(jī)的變流器使用的是絕緣柵雙極型晶體管（Insolated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT），文章通過(guò)對(duì)變流器各種類型的過(guò)流故障分析及應(yīng)對(duì)措施。

2 過(guò)流故障分析及應(yīng)對(duì)措施

造成變流器過(guò)流故障的原因有多種，文章主要從預(yù)充電回路故障、電網(wǎng)側(cè)變流器故障以及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器故障三個(gè)方面重點(diǎn)闡述。

2.1 預(yù)充電回路故障造成變電器過(guò)流

變流器的電氣接線如圖1所示。變流器設(shè)置的預(yù)充電回路，主要是平衡電網(wǎng)側(cè)濾波器件的電流，避免出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象。當(dāng)風(fēng)電機(jī)組開始運(yùn)行達(dá)到并網(wǎng)轉(zhuǎn)速狀態(tài)時(shí)，預(yù)充電接觸器K2開關(guān)處于閉合，變頻器直流母排充電達(dá)到970VDC時(shí)，電網(wǎng)側(cè)的變流器運(yùn)行，直流母排電壓開始出現(xiàn)逆變，直至A點(diǎn)電壓達(dá)到690VAC，而此時(shí)狀態(tài)下電流的數(shù)值為57A。一旦整個(gè)變流器的電器系統(tǒng)缺少預(yù)充電環(huán)節(jié)，電網(wǎng)側(cè)接觸器K1將會(huì)直接閉合，造成A點(diǎn)瞬間電流過(guò)大。除此之外，變流器的預(yù)充電回路出現(xiàn)22Ω充電電阻的短路故障，那么這個(gè)電阻不會(huì)再發(fā)揮限流作用，也將導(dǎo)致充直流母排發(fā)生充電過(guò)流，變流器報(bào)過(guò)流故障。

一旦出現(xiàn)以上的過(guò)流反應(yīng)，可以使用萬(wàn)用表進(jìn)行預(yù)充電回路充電電阻的阻值測(cè)量，保持兩塊電阻的數(shù)值為22Ω，進(jìn)而確認(rèn)充電電阻是否需要更換。另外，做好充電電阻接線端情況的檢查工作，不能出現(xiàn)接頭松弛現(xiàn)象，保持直流的正極回路接線與負(fù)極回路接線之間沒有異物；做好預(yù)充電回路電壓、電流檢測(cè)裝置以及檢測(cè)裝置的線路運(yùn)行狀況，復(fù)核沒有產(chǎn)生虛接、短路；復(fù)核電網(wǎng)側(cè)的接觸器K1、預(yù)充電接觸器K2吸合、斷開功能是否正常，主回路接線與控制回路接線是否緊固牢靠，控制回路接線的屏蔽線是否可靠接地。

簡(jiǎn)單來(lái)講，變電器的預(yù)充電回路出現(xiàn)過(guò)流現(xiàn)象時(shí)，回路中3×8A的熔斷器將會(huì)自我保護(hù)自動(dòng)熔斷。可以進(jìn)行預(yù)充電回路3×8A熔斷器卡槽內(nèi)的每一相熔斷器檢查，并進(jìn)行電阻值的測(cè)量。已經(jīng)熔壞的熔斷器在進(jìn)行更換時(shí)，應(yīng)注意使用相同規(guī)格型號(hào)的熔斷器。

2.2 電網(wǎng)側(cè)變流器故障造成變電器過(guò)流

預(yù)充電完成后，電網(wǎng)側(cè)變流器接觸器K1處于閉合，同時(shí)預(yù)充電接觸器處于K2斷開，電能可以直接由電網(wǎng)側(cè)變流器送至直流母排，測(cè)得母排電壓為1050VDC，電網(wǎng)側(cè)變流器提供系統(tǒng)所需無(wú)功能量，包括電抗器、高頻濾波裝置等。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)變流器發(fā)生故障時(shí)，電網(wǎng)側(cè)變流器接觸器K1閉合的瞬間，變流器報(bào)過(guò)流故障。

電網(wǎng)側(cè)變流器故障造成變電器過(guò)流的處理措施：

（1）檢查變流器電網(wǎng)側(cè)電抗器。測(cè)量電抗器三相相間阻值及單相對(duì)地阻值。相間阻值應(yīng)對(duì)稱相等，單相對(duì)地應(yīng)絕緣，絕緣阻值一般在1.5MΩ以上。

（2）檢查電網(wǎng)側(cè)阻容濾波回路。阻容濾波回路中的各電阻、電容外觀正常，接線端無(wú)燒黑痕跡。其次，測(cè)量濾波電阻阻值，6塊濾波電阻的阻值均為1Ω，且每塊電阻兩端接線均應(yīng)對(duì)地絕緣。測(cè)量時(shí)，應(yīng)把待測(cè)電阻隔離，避免外圍電路影響測(cè)量結(jié)果。同時(shí)，逐一測(cè)量0.1uF的濾波電容，電容兩接線端之間應(yīng)無(wú)擊穿現(xiàn)象。

（3）檢查電網(wǎng)側(cè)阻容濾波回路3×150A熔斷器。一般情況下，阻容濾波回路中的電阻或電容燒毀、擊穿時(shí)，引起的過(guò)電流會(huì)使得電網(wǎng)側(cè)阻容濾波回路3×150A熔斷器熔斷。用萬(wàn)用表測(cè)量每相150A熔斷器阻值，若已熔斷，則需要更換相同規(guī)格型號(hào)的熔斷器。

（4）檢查電網(wǎng)側(cè)變流器IGBT。電網(wǎng)側(cè)變流器每相3塊IGBT，三相共9塊IGBT，檢查時(shí)應(yīng)分相分塊進(jìn)行。IGBT外觀應(yīng)無(wú)燒黑、開裂痕跡。用萬(wàn)用表測(cè)量每相IGBT整流橋交流側(cè)與直流母排之間的電阻值，三次測(cè)量結(jié)果應(yīng)一致。若阻值明顯不一致，則逐一檢查9塊IGBT。由于每一相的3塊IGBT為并聯(lián)接線，檢查時(shí)應(yīng)把待測(cè)IGBT隔離，避免外圍電路影響檢查結(jié)果。

2.3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器故障造成變電器過(guò)流

當(dāng)電能從電網(wǎng)側(cè)變流器送至直流母排，母排電壓為1050VDC，由電網(wǎng)側(cè)變流器提供系統(tǒng)所需無(wú)功能量之后，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器啟動(dòng)，電網(wǎng)側(cè)變流器電流為80A左右，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器電流為20A左右。當(dāng)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器發(fā)生故障時(shí)，變流器報(bào)過(guò)流故障。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器故障造成變電器過(guò)流的處理措施與電網(wǎng)側(cè)變流器故障導(dǎo)致過(guò)流的處理措施基本一致。只是在轉(zhuǎn)子側(cè)阻容濾波回路中電阻的參數(shù)不同，轉(zhuǎn)子側(cè)阻容濾波回路中3塊電阻的阻值均應(yīng)為47Ω。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)文章對(duì)雙饋風(fēng)電機(jī)組變流器過(guò)流故障的分析可知，在不同跌落深度、不同功率、不同短路故障類型下，雙饋型風(fēng)機(jī)變流器各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均滿足國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求。檢修人員應(yīng)該在充分了解變流器過(guò)流故障特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一次、二次回路的復(fù)核工作，做好相對(duì)應(yīng)的處理措施，使風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行正常運(yùn)行。

［1］高瑞.風(fēng)電變流器中IGBT常見故障分析及應(yīng)對(duì)措施［J］.機(jī)電信息，2013，（18）：58-69.

［2］胡小康.雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組變流器過(guò)流故障分析與處理［J］.電力設(shè)備，2017，（2）：31-33.

［3］馬俊興，孫漢卿.IGBT短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電信息，2014，（12）：88-91.

張滿超（1991-），男，河南周口人，主要研究方向：IGBT變流器故障。