ABB-ACS800-67型變頻器在風電領域運行穩定性研究

劉文龍

（廣西桂冠電力股份有限公司山東分公司，山東 煙臺 264003）

1 典型案例分析

華北地區某風電場使用的風機為東汽FD77C-1500型雙饋風力發電機組，其配套使用的ABB-ACS800-67變頻器，風電場#4風電機組報“變頻器脫網、變頻器電網錯誤、變頻器錯誤、變頻器未就緒”故障停機，隨后風機遠程通信中斷。此時天氣晴；溫度4 ℃；平均風速11.5 m／s左右；風向西北。事件發生前全場設備運行正常。#4機組故障前場站母線電壓Uab：36.92 kV、Ubc：37.2 kV、Uca：37.1kV；全場總有功17 087 kW；風速：11.2 m／s；#4風機高速軸轉速1 745.6 rpm（額定1 780 rpm）；低速軸轉速16.6 rpm；功率1 470 kW；電壓AB：709.2 V；AC：711.3 V；BC：714.5 V；電流A相1 179.4 A；B相1 217.6 A；C相1 183.4 A；三面槳葉：0.8°[1]。

現場檢查發現風機UPS電源開關F16跳閘、變頻器控制電源開關F11跳閘、變頻器網側模塊外觀有燒壞痕跡、網側模塊800 A直流保險動作、并網柜400 A和200 A保險動作。使用調試電腦讀取變頻器報“ISU TRIP”網側跳閘、“ISU OVERCURRENT”網側過流、“ISU MAIN BR FLT”網側主接觸器故障。拆除損壞的網側功率模塊發現，三相IGBT均已經損毀，附帶周邊控制板件燒壞嚴重。

排查網側功率模塊燒壞原因，發現充電K1主接觸器存在粘連現象，拆除接觸器后無法打開，動靜觸頭已經粘連嚴重，無法分離。檢查LCL濾波電容鼓包。更換新ISU網側模塊，并更換LCL濾波電容和K1接觸器，更換熔斷器，檢查充電回路無異常后做充電試驗正常。隨后對變頻器做零速試驗，判斷變頻器在發電機靜止狀態下啟動是否正常，零速試驗正常通過，說明變頻器已恢復正常運行，監控啟動并網恢復正常。變壓器零速試驗正常波形如圖1所示[2]。

圖1 變壓器零速試驗正常波形

2 原因分析

模塊內部NRED穩壓電阻損壞，造成IGBT炸機損壞。該風場使用的NRED穩壓電阻運行年限近十年，老式NRED持續運行在較差環境下，容易損壞并引起IGBT的損壞。

IGBT自身絕緣降低，造成炸機損壞。IGBT在長達十年的運行周期后，其自身絕緣也會存在降低現象，個別IGBT甚至存在裂化趨勢，存在絕緣值偏低或裂化趨勢的IGBT在運行中極易造成炸機現象。

電容內部故障或損壞。若電容器內部故障或阻值偏低也會造成K1接觸器觸頭發熱，長期運行會造成粘連，變頻器網側模塊無法脫網，過流造成IGBT模塊炸機，進而造成事故的擴大化。

散熱效果不佳，造成模塊內部過熱IGBT損壞。檢查中發現該風電場功率模塊散熱風扇在運行中存在異常聲響，根據散熱風扇的使用壽命，這些風扇大都需要保養，嚴重的需要更換，繼續使用會嚴重影響模塊內部部件，尤其是IGBT的散熱效果。模塊散熱不佳也會造成損壞。

K1主接觸器粘連。若K1主接觸器粘連，會造成變頻器網側模塊無法脫網，過流造成IGBT模塊炸機，同時與網側模塊同一回路相連部位800、400、200 A保險動作。具體主接觸器粘連原因分析如下。

第一，動靜觸頭磨損嚴重，間隙過大，在加之當日風機滿負荷運行，長時間吸合，觸頭溫度高，接觸器面接觸電阻越來越大，造成接觸器粘連。由于燒壞的接觸器動靜觸頭已經粘連，無法打開，不確定原動靜觸頭磨損情況。

第二，接觸器線圈電源異常，電源電壓太低（低于額定85%），導致線圈磁系統吸力不足而造成觸頭反復振動，發生電弧熔焊，接觸器粘連；檢查接觸器線圈電源由UPS電源供給，此風機UPS電源運行正常，分析是否與電網諧波分量過大，造成接觸器線圈絕緣故障，滿負荷情況下脫開瞬間，接觸器燒壞粘連，查看當日電能質量，電壓諧波2、3、4、23、25次不合格，電壓不平衡度3.36%，不合格，總諧波電壓畸變率19.76%。

第三，接觸器彈簧反作用力過強會造成吸合過慢或吸合不緊，加之當日風機滿負荷運行，長時間吸合，觸頭溫度高，接觸器面接觸電阻越來越大，造成接觸器粘連。由于接觸器已粘連嚴重，無法拆除，不確定彈力彈力是否正常。

3 穩定運行優化方案研究

3.1 優化升級改造NRED壓敏電阻，提高供電可靠性

風力發電機通常安裝在惡劣的環境下，并有著其應用的特殊性；風機通常安裝在多沙塵、寒冷、高溫高濕和多鹽霧等惡劣的環境中；風機的頻繁切入、切出；風場所處的電網環境不穩定，電網故障和負荷調節等產生欠電壓和過電壓。這些都給風機各個部件的可靠性運行帶來挑戰[3]。

對于頻繁切入和切出的風機，由于變頻器的快速充放電、高溫的環境、電網故障和負荷調節等產生的欠電壓和過電壓，會加劇NRED穩壓模塊溫度的變化，可能會致使損壞。

NRED穩壓模塊取自模塊的直流電壓穩壓后供給APOW電源板，經過APOW電源板給AINT等提供±24 V電源，AINT板控制著IGBT的調制及驅動供電；NRED在IGBT調制時出現損壞，會引起IGBT調制的失控導致IGBT損壞，進而引起炸機情況出現。

從改善風電變流器運行可靠性著手，優化NRED升級方案是首先考慮的問題，可將NRED升級改造為具備過流保護的組件，前端加裝熔斷器穩定電流輸入輸出。通過改造，該風電場未發生過因NRED故障造成功率模塊損壞事件[4]。

每季度對變頻器電容、K1主接觸器觸頭磨損情況、彈簧彈力進行檢查，發現異常及時更換。

3.2 優化功率模塊散熱風扇啟動方式

對風扇啟動電容進行升級，增大風扇啟動電容，確保風扇啟動順暢。功率柜散熱風扇應每季度進行一次檢查，測試其抽風強度。同時對功率模塊內部過濾棉進行定期更換（1次/年）。

3.3 優化UPS供電可靠性，定期檢查風機UPS電源

風電機組運行年限超過十年需定期關注風機塔基UPS電源，即變頻柜內UPS裝置，蓄電池報警需及時更換，在ACS800-67變頻器中UPS作為變頻器主電源，必須保證其供電可靠性，否則瞬時斷電會對變頻器主控程序造成沖擊，避免造成重大故障發生。

3.4 優化變頻器整體運行環境

針對風電變頻器運行條件惡劣，多數處在沙塵、寒冷、高溫高濕和多鹽霧環境中，尤其夏季ACS800-67變頻器多數會出現超溫停機，冬季會因低溫保護不啟動，嚴重影響設備運行的可靠性。結合幾年的摸索并借鑒國內主流變頻器的散熱模式，采用對變頻器進行加裝空調的模式，使其持續運行在恒定的環境溫度下，保證變頻器的運行可靠性，從而提高設備可靠性和風機利用率。

3.5 優化風機并網結構，加裝并網接觸器

該ACS800-67型雙饋風力發電變流器原設計采用并網斷路器實現風機并網、脫網及保護，在實際運行過程中，由于并網開關頻繁動作，并網開關易造成操作機構卡澀導致風機設備損壞。通過定子接觸器方案設計后，可實現正常并網、脫網由定子接觸器完成。保護原定子斷路器，作為保護和電氣開斷。實現選擇性分斷，通過對定子電流的測量和軟件功能，在定子出現較大電流時的脫網由定子斷路器來執行。冗余脫網保護，在定子接觸器失效時，軟件將及時執行斷路器脫網。改造升級后，將大大降低定子斷路器的動作次數，從而延長其使用時間，并確保風機運行的安全性和可靠性。該案例已成功在華北地區某風電場實施。

3.6 優化ACS800-67變頻器遠程監控功能

由于現有的ABB-ACS800-67變頻器不具備遠程監控功能，風機在報變頻器故障時，無法查看詳細故障，造成消缺工作滯后，有時會造成故障的誤判。為優化變頻器安全穩定運行可在變頻器控制端加裝通信交互模塊，接入風機環網，通過風機環網接入后臺風機SCADA監控，這樣可大大縮減變頻器故障分析的時間，提高消缺速率。目前在華北、華東地區幾個風電場已成功實現遠程監控，效果顯著[5]。

4 結 論

綜上研究，ABB-ACS800-67型變頻器雖然適用于早期風電領域運行要求，但隨著電網要求不斷提升，ACS800-67型變頻器問題越來越突顯，該變頻器的運行穩定性研究至關重要。本文通過實例和風場實踐提出了優化方案。通過優化改造NRED、加裝并網接觸器、優化散熱風扇啟動方式、優化UPS電源供電、優化變頻器運行環境和遠程監控等多途徑、多角度闡述如何提升ACS800-67型變頻器的運行穩定性，以滿足生產要求。