波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用

周曉東

摘要：本文首先分析了雙饋式異步發電機的構成和原理，接下來詳細闡述了以案例形式詳細闡述了波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用，希望通過本文的分析研究個，給行業內人士以借鑒和啟發。同時希望為我國波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用的探討獻言獻策。

關鍵詞：風力發電;變流器;故障處理;波形分析

引言

風能被稱為清潔的綠色能源，隨著許多研究工作的進行，越來越多的高效風電機的開發，使世界上大多數國家都能獲得這種清潔能源。此外，它的可靠性也非常重要，無論它是否將在規定時間段內遇到的給定條件下有效地執行其功能。從以前的文獻中可以看出，大多數情況下，各種故障發生在葉片/變槳機構、變速箱系統、發電機、動力變流器、偏航系統、液壓系統。目前，大型風力發電機的發電功率約為6MW，用于近海和海上風力發電場。發電機組和電力變流器，在風力發電的整體可用性中起著非常重要的作用，因為如果電力變流器發生任何故障，它可能會關閉整個風力發電，因此這些電力變流器的可靠性在整個風電機組的停機中是非常重要的問題。根據風電機組的大氣條件和額定容量，風電機變流器可采用兩級開關變流器、三級開關變流器和多級開關變流器等不同的拓撲結構。對于變速風力發電機，傳統的變流器沒有得到優化，因為在較低風速下，由于產生的電壓降低或共振變流器中的某些循環電流降低，它們的效率很低。在低速時產生的電壓較小，因此變流器的效率也會降低，但借助不同的開關技術，即使在低電壓時也可以提高變流器的效率，并保持高輸出電壓。

1雙饋式異步發電機的構成和原理

1.1構成

變速恒頻雙饋式異步風力發電機的結構與異步式發電機的結構基本一致，都包括轉子、電刷及滑環。異步式發電機中，轉子可通過側入方式進入電機內部，并進行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸的效率，而且可穩定異步式發電機的交流定頻。雙饋式異步發電機是由一臺帶電環的定子、變流器及異步電機共同組成。變流器主要通過交換電流輸出電流，在整體變流中的工作路程是不可逆的。變流器與集成電環相連，保證轉子在交流電路中以直流電的形式輸送電能，然后在交換機中進行交流轉化，經平波電抗系統過濾后，對干擾因素和可逆電流進行回流，最終返回到電網。這一過程就是雙饋式異步發電機向電網輸送功率的具體過程。

1.2基本原理

由于雙饋式異步發電機的轉子和定子在進行發電時，相較于空間內的磁場，其相對位置是靜止的，因此當電機頻率不變時，定子頻率發生改變，與轉子之間的相對關系仍成立。發電機的轉速與定、轉子的電流頻率關系公式為：

其中，f1為定子的電流頻率，單位為Hz;f2為轉子的電流頻率，單位為Hz;N為轉子轉速，單位為rmin-1;P為發電機的磁極對數;N1為同步轉速。由式知，若發電機的轉速發生改變，需調節轉子的頻率，以保證定子的頻率不變。為保證與電網相同的頻率進行電力輸送，恒頻的控制需以調節轉子的電流頻率實現。由于轉子的運動速度與發電機的轉速不同，可將雙饋式發電機的運行狀態簡單分成同步運行狀態、低速同步狀態和超速同步狀態。雙饋異步發電機與電網之間的連接采用柔性連接。在發電機內部，定子與外部發電網絡直接相連，利用環狀磁場抵消內部的磁場力量，并通過控制轉子的相應流速、位置以及頻率等物理特征控制發電機的相應參數，最終實現變速恒頻控制。雙饋式異步發電機的并網過程：先啟動風力發電機組，由于初始速度較低需進行物理輔助;當轉子在回路中產生的電能足夠推動自身運轉時，實現與電網內部的電壓同步，最終實現風力發電機快速與無電流沖擊并網。雙饋式風力發電機由電力磁場的相互作用實現發電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實現動態調節，但在頻率調節方面需精準控制。由于風力發電的轉數隨風變化，可進行雙饋式發電，以保障所產電能頻率穩定。改變電流的增幅和相位關系，可改變電網中的電壓和發電機中定子和轉子之間的關系。兩者之間的相位角隨發電機發電功率的改變而改變，最終實現發電機有用功和無用功的動態調節。

1.3變流器的構成及工作原理

變流器是實現電流調解的儀器，主要包括主電路系統、智能控制系統、集成電路以及配電系統。各個系統又包括很多模塊，大致分為定子開關模塊、整流穩流模塊、輸入輸出模塊、濾波器模塊、防逆變模塊、電流傳感模塊、散熱風機模塊、有線監控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統包含轉子側逆變單元、電網側整流單元及直流母線單元。變流器的基本工作原理是將雙饋式異步風電機中的定子產生的電能通過變流的方式接入到電網中，實現電力的輸送。電力輸送過程中，需確保定子是圍繞其中一個變頻的交流三相電源進行相關作業，從而帶動另外幾個轉子運動。此發電方式可最大限度實現交流的勵磁效應，促進額定功率的增長。當負載產生的變化導致轉子的轉動頻率發生改變時，可改變勵磁電流的運動頻率，促使整體輸出電流的頻率仍滿足額定需求。風力發電機所發電能需與電網的輸送頻率相同，以實現恒頻發電。當風電機處于超同步工作狀態時，網側變流器處于逆變狀態，轉子側變流器則處于整流狀態，轉子回路通過變流器向電網輸送工頻電能。當風電機處于亞同步工作狀態時，網側變流器處于整流狀態，轉子側變流器則處于逆變狀態，電網通過變流器向轉子回路輸送電能。

2波形分析故障案例

某風電場#2風機報變流器系統故障，遠程可復位，下載變流器故障時刻波形，借助波形分析方法快速定位故障點。

2.1故障波形分析

下載故障時刻波形，依次調出發電機轉速波形、有功功率波形、三相定子電流波形、定子電壓波形、轉子電流波形，確定故障相。再逐一分析故障相各波形變化。故障前A相ILSC（輸入IGBT的電流）、IMSC（勵磁電流）和Istater（并網電流）均處于正常狀態;在故障時刻Istater（并網電流）突然為零，而ILSC和IMSC波形發生了畸變，說明并網回路在此刻斷開。現場查看發現并網開關（Q10）并未動作，而故障時電網也無故障。各開關的動作順序：首先動作了Gen.CB，即并網開關（Q10）或并網主接觸器（K1）。從現場處理情況看，因先后更換了欠壓線圈和微控制器Micrologic，且故障中Q10未動作，可排除并網開關損壞的可能。判斷造成故障的原因為并網主接觸器K1損壞。機組報出變流器系統故障（M10），復位后機組可正常運行，但在高負荷時報出同樣故障。判斷并網主接觸K1可能在高電壓沖擊下發生接觸不良的情況，因而在高負荷時出現異常斷開現象。

2.2故障處理

更換主接觸器后故障排除

結語

變流器作為風力發電機組的核心部件，且多為純進口型，故障處理效率直接影響到發電效率。通常，運維人員在故障處理時多憑借經驗，通過更換相關元器件的方式來查找和排除故障，這種方法效率較低。而采用波形分析方法排查故障點，首先要熟知雙饋異步風力發電機組的運行原理，其次要對變流器工作原理和并網時各元器件動作過程熟練掌握。在此基礎上，充分利用變流器自帶的故障錄波功能，對記錄的故障波形進行分析，快速查找出故障點，恢復機組運行，故障處理效率則大為提高。

參考文獻

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