某風(fēng)電場風(fēng)機變頻器crowbar故障分析及處理

顏 源，蔡江潮，李 剛

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 概 述

國內(nèi)某裝機容量4.8 MW風(fēng)電場，采用廣東明陽2.0 MW機組，使用天津瑞能變頻器廠家生產(chǎn)的2.0 MW高原I型雙饋變頻器。crowbar作為風(fēng)力發(fā)電機變頻器的重要組成部分，是電網(wǎng)電壓跌落時抑制變流器過電流和轉(zhuǎn)子繞組過電壓的保護(hù)元件，分為有源與無源兩種，該風(fēng)電場采用的是有源crowbar[1]。自2014年投運以來，該風(fēng)電場多臺機組頻繁發(fā)生變頻器crowbar燒損故障，由于燒損crowbar元件無法修復(fù)，因備件原因給風(fēng)電場造成較大發(fā)電量損失，并且crowbar元件更換成本較高，如出質(zhì)保后問題得不到解決將給風(fēng)電場造成近50萬元/年維護(hù)成本。

2 故障發(fā)生過程及處理分析

該風(fēng)電場于2014年10月完成24臺風(fēng)機并網(wǎng)發(fā)電，2016年全場機組頻發(fā)crowbar元件損壞。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)年風(fēng)電場共發(fā)生約30次變頻器類故障，其中crowbar元件損壞近10余次。由于該元件非易損元件，也非風(fēng)機及變頻器用戶中的常見問題，由此引起了運維人員及廠家重視。通過整理對比出現(xiàn)損壞的crowbar機組的后臺記錄發(fā)現(xiàn)損壞現(xiàn)象存在許多共性[2]。以2016年3月的2次損壞為例，3月6日該風(fēng)電場35 kV集電一線發(fā)生引流線斷線，所帶1#至12#風(fēng)機受累停運，次日線路故障處理完畢恢復(fù)送電后所帶風(fēng)機中1#、3#、4#、7#、8#機組無法啟機[3]，后臺報機組變頻器類故障，無法遠(yuǎn)程復(fù)位，當(dāng)值人員與廠家立即赴現(xiàn)場調(diào)查處理。通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，機組無法啟機的原因均為變頻器crowbar損壞。同月27日，該風(fēng)電場35 kV集電二線發(fā)生引流線斷線故障，所帶13#至24#風(fēng)機受累停運，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)有6臺風(fēng)機無法啟機，同為變頻器crowbar損壞導(dǎo)致。兩次crowbar損壞均出現(xiàn)在集電線路發(fā)生單相永久性故障時，此時電網(wǎng)電壓跌落，網(wǎng)側(cè)失電，機組進(jìn)入低電壓穿越。由于故障無法恢復(fù)，低電壓穿越失敗，后轉(zhuǎn)子側(cè)停機，報轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器驅(qū)動故障。

由于兩次故障出現(xiàn)時均發(fā)生在同類故障下，因此運維人員與廠家將損壞列為共性問題排查。通過對比損壞與未損壞crowbar機組的變流器記錄發(fā)現(xiàn)，被燒損crowbar的機組在發(fā)生低穿時，部分機組主控程序曾出現(xiàn)關(guān)斷crowbar瞬間出現(xiàn)的大電流的指令，造成其流過大電流損壞，并報驅(qū)動故障停機。進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，未損壞機組采用的是較新版本主控程序，該程序中優(yōu)化了低穿控制策略，并且增加了crowbar電流估算功能，避免大電流關(guān)斷crowbar，造成元件損壞[4]。少量機組未燒損crowbar原因應(yīng)為線路故障時各臺風(fēng)機網(wǎng)側(cè)電壓存在差異，變頻器在開通關(guān)斷crowbar指令時錯開了尖峰電流，避免了crowbar因過流燒損，應(yīng)為偶然現(xiàn)象[5]。

按照排查結(jié)果，風(fēng)機廠家針對電網(wǎng)跌落、電網(wǎng)不平衡等方面對全場機組做程序升級改善，后續(xù)出現(xiàn)線路單相永久性故障時，crowbar元件未出現(xiàn)損壞。

2018年3月12日，該風(fēng)電場再次出現(xiàn)多臺風(fēng)機crowbar元件損壞，損壞當(dāng)日風(fēng)電場發(fā)生35 kV集電二線動作跳閘，所帶風(fēng)機受累停運，線路故障處理完畢恢復(fù)送電時發(fā)現(xiàn)4臺機組crowbar損壞。風(fēng)電場運維人員與廠家按程序調(diào)閱了故障錄波記錄、機組主控記錄及變頻器記錄。記錄顯示，集電二線跳閘原因為線路B、C相發(fā)生兩相短路故障，110 kV B、C兩相電壓跌落至零。此后，調(diào)閱一臺crowbar損壞機組變頻器記錄及主控記錄，發(fā)現(xiàn)機組在出現(xiàn)電網(wǎng)異常狀態(tài)時，按主控程序設(shè)置正確進(jìn)入低穿模式，由于故障為永久性故障，低穿過程失敗，機組正常執(zhí)行保護(hù)停機，報文中出現(xiàn)有源crowbar模塊驅(qū)動故障。圖1為23#風(fēng)機變頻器記錄。

圖1 23#風(fēng)機變頻器記錄

記錄中可見機組進(jìn)入故障穿越模式時檢測到轉(zhuǎn)子側(cè)故障電流，crowbar依照原理進(jìn)行能量泄放，低穿過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1 010轉(zhuǎn)，對應(yīng)轉(zhuǎn)子開路反電動曲線，轉(zhuǎn)子電壓至少為700 V，此時crowbar會開通大約1 800 A的電流。當(dāng)電網(wǎng)電壓瞬間跌落時，變頻器轉(zhuǎn)速無法瞬間降至主控設(shè)置脫網(wǎng)轉(zhuǎn)速970轉(zhuǎn)，由此產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)速差，此時流過轉(zhuǎn)子側(cè)crowbar電流估算約為3 000 A以上，同時低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子仍處于高電壓狀態(tài)[6]。通過進(jìn)一步排查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)網(wǎng)側(cè)斷電后，crowbar 24 V供電出現(xiàn)異常。經(jīng)查現(xiàn)場機組crowbar供電取自市電，由此造成當(dāng)變頻器斷電后crowbar 24 V供電失效，即網(wǎng)側(cè)發(fā)生三相永久性失電時crowbar掉電，導(dǎo)致其失控關(guān)斷，較大關(guān)斷電壓造成crowbar內(nèi)部IGBT模塊損壞。

按照排查結(jié)果，廠家首先增加了變頻器低穿功率計算方式，優(yōu)化了低穿曲線。其次，修改了控制crowbar的交流接觸器KM6線圈的取電回路，將接觸器取電由市電改為UPS供電，保證在發(fā)生網(wǎng)側(cè)失電時，crowbar 24 V控制電源不掉電，保證其正常工作。

3 結(jié) 論

該風(fēng)電場crowbar損壞分別為主控程序不匹配及電路設(shè)計不符合運行要求導(dǎo)致，雖不是普遍問題，但也是機組運行過程中存在的隱患。后續(xù)風(fēng)電場建設(shè)期間應(yīng)增加對主控程序適應(yīng)性及控制回路的檢查，納入采購合同范本。同時，做好驗收工作，增加crowbar動作合閘接觸器供電回路及主控程序的檢查項目，避免同類問題再次發(fā)生。風(fēng)力發(fā)電機組故障種類復(fù)雜，需解決的問題眾多，為實現(xiàn)發(fā)電效益最大化，縮短機組停運時長，場內(nèi)運維人員應(yīng)不斷加強自身技術(shù)能力，掌握風(fēng)機的技術(shù)重點，防范故障于未然，保障風(fēng)機安全穩(wěn)定運行。