風力發電機組變流器的安全保護功能測試方法

夏冰

【摘 要】介紹了風力發電機組變流器各項安全保護功能，并將其作為出廠試驗項目的測試方法，分析了各測試方法的原理。通過現場實際針對各項保護功能進行不同測試方法的驗證，得出了其各項安全保護功能的有效性結論。該套測試方法基本實現了對變流器各項安全保護功能的驗證，保證了產品的安全可靠性。

【關鍵詞】風力發電機；變流器；安全保護；測試

引言

長期以來風力發電機組變流器的安全保護功能測試由于其測試方法較為復雜而且在測試過程中又極易損耗變流器的各相關元器件，因此各變流器供應商一直將其作為風機的型式試驗要求來做而不作為出廠試驗的測試要求。而型式試驗只是在有試制的新產品或定型產品做重大改進時或產品質量遇到其它特殊情況時才做，而且一般也只測試一兩臺，其它相同型號的產品在出廠時就不再作為強制試驗項目做出廠測試了。這樣變流器安全保護方面的功能在平時的生產過程中就不易受重視，容易出現質量方面的問題，而變流器安全保護功能又恰恰是關系到風機變流器生命周期至關重要的一類保護功能。

一、風機變流器安全保護功能

風機變流器的安全保護功能根據其所保護的部位及類型的不同主要分為過溫保護、過 流保護、開關與熔斷器故障保護、缺相保護和相序錯誤保護、接地保護、發電機過速/欠速保護、直流環節過電壓/欠電壓保護和浪涌過電壓及防雷電保護。

1.過溫保護，其中包括絕緣柵雙極晶體管IGBT模塊散熱器過溫、輸入電抗器過溫和輸出電抗器的過溫保護。即當變流器某關鍵部位溫度過高時其控制器發出報警信號或停機。

2.過流保護，為變流器控制器檢測到網側及轉子側過電流時，發出報警信號以及觸發相應邏輯保護。

3.開關與熔斷器故障保護，當主功率回路開關跳閘或主熔斷器發生熔斷故障時變流器控制器發出相應報警信息并觸發相應邏輯保護的功能。

4.發電機過速/欠速保護，變流器通過發電機編碼器傳來發電機轉速信號來判斷其轉速是否正常。當轉速高于或低于一定的數值時即發出發電機過速或欠速報警信息并觸發相應的保護邏輯。

（五）直流環節過電壓/欠電壓保護，當變流器控制器檢測到直流母線電壓超過或低于設定值時，即報出相應故障信息并觸發相應保護邏輯。

二、風機變流器安全保護功能的測試方法

（一）過流保護過流保護包括網側和轉子側過流保護

根據過電流采集信號的不同可分為兩種情況：第一種是通過電流互感器進行模擬量的電流采樣，這種較為簡單，一般在測試程序中修改下調網側及轉子側過流保護參數值，然后變流器啟動運行，并網后給系統加載使網側和轉子側電流上升至修改后的過流參數值，查看測試系統保護邏輯及故障信息是否準確即可（網側和轉子側應分開測試）。第二種是通過數字量過電流傳感器（比如霍爾元件）進行數字量過電流信號的采集。由于數字量過電流傳感器的電流保護值是不能修改的，因此需通過并網加載加電流測試使過電流傳感器置“1”的方式試驗，顯然這是一種帶有一定破壞性的試驗方法，容易損傷變流器的某些元器件，所以作為出廠測試一般可以省略并網加載環節，而采用直接斷開連接過電流傳感器信號線的方式測試，然后查看測試系統故障信息及保護邏輯動作是否準確即可。這種測試方法就是有不能驗證過電流傳感器本身是否符合要求的缺陷，但至少驗證了過電流安全保護的其它所有功能，增加了該功能的出廠驗證測試面，提高了可靠性。

（二）開關與熔斷器故障保護

1.主功率回路開關故障安全保護功能測試：一般主功率回路開關的故障有觸點燒毀、脫扣器損壞、操作機構損壞、過載線圈燒毀等等。當開關出現故障時，其自身會有一個數字量故障信號節點動作，此信號節點外接至變流器控制系統。為了安全的測試出此項的全部功能，主功率回路開關故障安全保護功能測試可分成兩部分測試，即主功率回路開關故障測試部分和變流器控制系統響應部分。主功率回路開關故障可在變流器不通電的情況下測試，人為給主開關一個故障，然后用萬用表電阻擋測量故障信號節點是否變化，變化為符合要求。變流器控制系統響應部分測試要先給變流器送控制電源，然后人為將連接主功率開關故障信號節點的信號線在主開關接線排上短接，待測試系統報出相應故障信息及觸發相應保護邏輯即視為該安全保護功能測試通過。

2.熔斷器故障安全保護功能測試：變流器主熔斷器熔斷后其輔助熔斷器也跟著一起熔斷并觸發相應故障開關量節點（微動開關），變流器控制系統接收到此熔斷器熔斷故障節點信號反饋后報出相應故障信息并觸發相應保護邏輯。由于主熔斷器的額定電流值要比輔助熔斷器大很多，只要目擊檢查若輔助熔斷器熔斷后其微動開關是否能隨之觸發即可。微動開關的檢查可以人為撥動其微動擋塊聽其分合動作聲音是否清脆，或者用萬用表電阻擋測量其節點是否有通斷狀態即可。相應變流器控制系統響應部分的測試同樣要先給變流器送上控制電源，然后人為撥動其微動開關的微動擋塊，測試系統報出相應故障信息及觸發相應保護邏輯即可視為此功能測試通過。

3.缺相保護及相序錯誤保護缺相安全保護功能測試及相序錯誤安全保護功能測試分為總網側、定子側及轉子側三個變流器主電路進出線位置的安全保護功能測試。

（1）總網側進線缺相及相序錯誤安全保護功能測試：這個測試的方法較為簡單，缺相保護測試是在總網側送電之前先將其三相進線接成二相進線，在并網接觸器及勵磁接觸器主觸頭未閉合的情況下給總網側進線送電并合上主斷后，給網側送電變流器測試系統應立即報出相應故障信息并觸發相應保護邏輯（按照A、B、C三相分別做一次測試）。相序錯誤保護測試則是在總網側送電之前將三相網側進線相序人為接反，然后在并網接觸器及勵磁接觸器主觸頭未閉合的情況下給總網側進線送電并合上主斷后，變流器測試系統也應立即報出相應故障信息及觸發相應保護邏輯，這樣即可視為此項功能測試通過。

（2）定子側及轉子側缺相及相序錯誤安全保護功能測試：這兩個位置的測試需要分開測試，但測試方法基本相同。缺相安全保護測試首先將定子側或轉子側三相出線改接成二相出線，然后按測試程序正常啟動運行變流器，期間測試系統報出相應故障信息并觸發相應保護邏輯即視為此功能測試通過（按照A、B、C三相分別做一次測試）；相序錯誤安全保護測試同樣首先將定子側或轉子側三相出線的相序接反，然后按測試程序正常啟動運行變流器，期間測試系統報出相應故障信息并觸發相應保護邏輯即視為此功能測試通過。

三、結束語

在設計風力發電機組的每一個部件時，設計工程師們考慮最多最全面的往往就是該部件自身及其對整個風機的安全保護功能方面的諸多要求。風機的安全性能也是各風電業主采購風機時的重要參考項目，其重要性不言而喻。通過上述對風電機組變流器系統各個安全保護功能測試方法的詳細分析和描述，使讀者基本了解了該安全保護功能測試方法的工作原理及將其作為出廠試驗項目的必要性；同時對變流器系統本身及風電機組的其它工作系統的安全保護功能測試方法提供了一種新的思路，在其實際的出廠常規測試應用中亦具有一定的指導意義。

參考文獻：

[1]毛亞紅.通用變頻器的保護功能及故障處理[J].變頻器世界，2014（8）：118-121.