關于芻議風力發電機變頻器的應用和故障的探討

摘""要：變頻器是工業生產中應用最為普遍也是最為廣泛的設備。在風力發電系統中電力轉化和輸送中變頻器得到廣泛應用，變頻器正常運行關系到風力發電機組的安全運行。在全球能源危機大背景下，可再生清潔能源受到越來越多關注，風力發電作為一種清潔環保能源，在我國發電系統所占比例逐漸上升，直驅式和雙饋式發電機利用變頻器接入電網，如果變頻器發生故障，直驅式風力發電機電能將無法及時輸送，雙饋式風力發電機將出現輸出電壓和電流發生波形畸變，甚至無法正常發電現象。因此，做好變頻器故障快速診斷和故障排除，能夠將故障對風力發電機組的影響降到最低，從而使風力發電機組運行良好，為電力能源安全、穩定輸送提供保障。

關鍵詞：風力發電機""變頻器""故障""預防

中圖分類號：TM315"""""""""""""""""文獻標識碼：A

Discussion"on"the"Application"and"Fault"of"the"Wind"Turbine"Converter

LONG"Xun

（Overhaul"Branch，"Hubei"Energy"Group"New"Energy"Development"Co.，"Ltd.，"Lichuan，"Hubei"Province，"445400"China）

Abstract："The"frequency"converternbsp;is"the"most"common"and"widely"used"equipment"in"industrial"production."The"frequency"converter"is"widely"used"in"power"conversion"and"transmission"in"the"wind"turbine"system，"and"the"normal"operation"of"the"frequency"converter"is"related"to"the"safe"operation"of"the"wind"turbine"generator"system."In"the"context"of"the"global"energy"crisis，"renewable"clean"energy"has"attracted"more"and"more"attention，"and"wind"power"generation，"as"a"clean"and"environment-friendly"energy，"is"gradually"increasing"its"proportion"in"the"China's"power"generation"system."Direct-driven"and"doubly-fed"generators"use"the"frequency"converter"to"connect"to"the"power"grid."If"the"frequency"converter"fails，"the"direct-driven"wind"turbine"will"not"be"able"to"deliver"the"power"in"time，"and"the"doubly-fed"wind"turbine"will"have"the"waveform"distortion"of"output"voltage"and"current，"and"be"even"unable"to"generate"electricity"normally."Therefore，"doing"a"food"job"of"fast"diagnosis"and"troubleshooting"of"inverter"faults"can"minimize"the"impact"of"faults"on"the"wind"generating"set，"so"that"the"wind"generating"set"can"operate"well"and"provide"guarantee"for"the"safe"and"stable"transmission"of"electric"energy.

Key"Words："Wind"turbine;"Frequency"converter;"Fault;"Prevention

風能是一種可循環利用、清潔的能源，對風能進行開發和利用，可以有效緩解能源危機，減少污染排放，有助于低碳環保。雖然目前我國發電結構中仍然以火力發電為主，但未來風力發電和光伏發電將會成為我國發電結構中的主力軍。風力發電系統中風力發電機和風力機是主要構成部分，而風力發電機中變頻器的主要作用對電能轉換和輸送進行優化，從而確保電能輸送平穩，保障電力系統安全。

1""風力發電系統

1.1""風力發電原理

風力發電的基本原理是實現風能和電能之間的轉換，通過風力發電系統將風能轉換為機械能，然后再將機械能轉換為電能。

1.2""風力發電系統構成

常見風力發電機組大致分為三個部分：一是風力發電機；二是風輪；三是鐵塔。其中風力機和發電機是最重要的部件，風力發電機的兩大核心技術分別是變槳距調節技術和變速恒頻發電技術，前者主要針對風力機，后者主要針對發電機。風力發電機由有幾個部分構成：一是葉片。，葉片的作用是捕獲風能，并將風能傳遞給機頭，由機頭實現能量轉換；二是機頭。，機頭采用永磁體作為轉子，利用定子繞組將磁力線進行切割從而產生電能；三是轉體。，通過轉體控制和調節機頭旋轉方向和角度，從而使葉片能夠獲得更多的風能；四是尾翼。，大型風力發電系統中一般沒有尾翼，只在小型或者家用型風力發電系統中存在尾翼。

1.3""風力發電系統工作原理

1.3.1"直驅式風力發電系統

轉子在風力機帶動下可以感應到定子側的交流電，然后將交流電利用變頻器進行交流電-直流電-交流電的全功率轉后，經轉換后的交流電接入電網系統[1]。在交流電和直流電的轉換過程中，不同方向的交流電轉化為相同方向的直流電，經過轉換后的交流電由變頻器對相位和頻率進行控制。轉換后的交流電經由變頻器對輸出電流和頻率進行調節和控制，使其保持同步，符合并網條件后才可以并入電網進行發電。

1.3.2""雙饋式風力發電系統

雙饋式風力發電系統不同于直流式風力發電系統，在風力機帶動下變頻器在轉子側產生雙向流動電流，具備兩條調速和并網結構。一是在轉子側產生的電流經過變頻器將部分功率進行轉化后接入電網，另一個是在轉子側感應到電流后不經變頻器直接將電流接入電網。在發電系統初期發電時，轉子側由電網提供交流電，交流電經過變頻器轉換后產生勵磁電流，使轉子側產生磁場，發電系統并網后原動機產生較大能量輸入時，定子側不能及時將所有能量進行工頻交流轉化，會導致產生大量多余能量，雙饋式發電系統可以在轉子側將多余能量經過變頻器進行變換后再次輸入電網系統，從而實現能源循環利用，避免能源浪費。

2""風力發電機變頻器

2.1""變頻器工作原理

變頻器電路設計由兩部分構成：一部分是主電路；另一部分是控制電路。主電路分為電壓型和電流型兩類，其中電壓型是將直流電壓轉化成交流電壓，電容是直流回路的濾波；電流型是將直流電流轉化成交流電流，電感是直流回路的濾波。整流器可以將工頻電壓轉化為直流電源，常用二極管或者晶體管作為可逆變流器；經過整流器的直流電壓，會產生6倍頻率的脈動電壓，利用電容和電感構建平波回路對脈動電壓進行吸收，起到抑制作用[2]。脈動電壓平穩后利用逆變器將直流功率轉為符合要求的交流功率，通過人機對話界面，操控中央控制系統，促使運算電路、驅動電路、電壓電流檢測電路、速度檢測電路實現高效配合，通過指令對電動機進行控制。

2.2""風力發電機變頻器

2.2.1"直驅式風力發電機變頻器

直驅式風力發電機在獲取風能時容易受到風速不穩定因素干擾，導致三相交流電流不穩定，因此利用變頻器可以將三相交流電進行整流后，變成相對穩定的直流電后，再由逆變器將直流電轉化為交流電再接入電網，使其成為相對穩定的三相交流電[3]。其基本流程為AC-DC-AC，整流電路和逆變電流不同組合方式可以產生不同拓撲結構，常見的有無功補償型不控整流后接晶閘管逆變器結構、不控整流后接直流側電壓變化的PWM電壓型逆變器結構、不控整流后接直流側電壓穩定的PWM電壓型逆變器結構、不控整流后接直流側電壓穩定的PWM電源型逆變器結構、不控整流后接電流源型逆變器結構。其工作原理是將直流電源接入轉子繞組，產生一個不動而且恒定不變的勵磁磁場和電流，風機在外部風能帶動下使轉子發生旋轉，進而產生機械旋轉磁場，所產生的機械磁場和定子發生相對運動，進而產生交流電勢。三相對稱繞組在三維空間內產生120゜。度的電度角差，導致三相對稱電勢產生120゜。度的電度角差。

2.2.2"雙饋異步發電機變頻器

雙饋異步發電機將電網電流利用變頻器的IGBT模塊轉化為轉子勵磁繞組，如果電機同步轉速和勵磁旋轉速度以及轉子轉速產生疊加時，定子繞組通過變頻器控制實現并網。雙饋異步發電機運行分為亞同步狀態"、同步狀態、超同步狀態三種。風機發出功率亞同步運行時為機械功率和滑差功率之差，同步運行時為機械功率，超同步運行時為機械功率和滑差功率之和。

雙饋異步發電機變頻器適用于雙饋異步發電機，能夠對風力發電機相應的功率因數進行控制，當電網出現故障時，該種類型變頻器能夠為電網提供必要支持，利用直接轉矩控制能夠進行快捷可靠的控制。其工作元件包含網側交流模塊、轉子側側變流模塊、LCL濾波器、高通RC濾波器、du/dt濾波器、Growbar電路。

3""風力發電機變頻器故障類型

風力發電機常見故障有變頻器溫度過高或過低、變頻器發生錯誤動作、變頻器發生脫網、變頻器過電壓、變頻器超速、變頻器過電流、變頻器轉速信號故障、變頻器欠電壓、電網頻率過高或過低、變頻器運行狀況與實際差距較大等[4]。變頻器過電流故障時，負載出現分配不均勻現象，進而導致變頻器輸出電路短路，逆變器不具備良好過載能力，因此過電流故障診斷非常重要；變頻器過電壓故障主要指交流電轉化為直流電過程中，直流回路出現過電壓現象，過電壓會對濾波器產生一定影響，導致使用壽命減少，直流回路過電壓會導致變頻器負載突然下降，進而導致轉速顯著上升，變頻器負載測的能量會通降會回講過變頻器回流到中間直流回路，導致能量突然集中，中間直流回路無法短期內對多余能量進行處理，導致超過承壓能力，引發過電壓故障。變頻器過電壓一方面由于電源側沖擊導致過電壓，另一方面由于發電機編碼器干擾使轉子側勵磁調度出現紊亂。外部雷電的沖擊會導致過電壓，當雷電沖擊后發電機變頻器負載較少，而轉速增高，因此中心直流回流在短時間內完成大量能量傳送，導致中心回流承受過多負擔，導致過電壓。雙饋式異步變頻器擁有兩條回路，通過電源側的逆變電路可以將多余電流經由變頻器傳輸回電網，從而有效減少過電壓現象，因此在變頻器故障診斷中仍然需要對過電壓故障進行診斷和分析；如果交流電輸入側電源出現缺相，經過整流器的電壓過低，會導致整流回路出現欠電壓故障。

故障按照不同原則可以分為以下幾類。一是按照故障發生規律進行分類。，包含永久性和偶發性故障，。如可控硅和晶體管等元件損壞所導致的主電路喪失使用功能的故障持續時間比較長，可以歸類為永久性故障。；如插件接觸不良、變頻器元件焊接不牢、信號干擾等故障具有間歇性，可以歸類為偶發性故障；。二是按照故障發生的時間進行分類。，包含老化性故障和間歇性故障，。如變頻器元件老化或者由于元件長期使用過程中磨損所導致的突發性故障，往往發生在設備投入運行后期，而且故障發生比較突然，可以歸類為老化性故障。；如變頻器功能故障時有時無，發生時間沒有明顯規律，可以歸類為間歇性故障；。三是按照故障發生的部位進行分類。，包含電源故障和內部故障。如連接變頻器電網電壓不穩定所導致的缺相和過壓等，可以歸類為電源故障。；如變頻器內部濾波電容和整流器出現故障所導致的欠過壓和逆變器短路和過電流等故障，以及電動機和控制系統故障等，可以歸類為內部故障。

4""風力發電機故障處理方法

4.1""變頻器通信訊故障處理方法

第一步：對交流通信模塊中的CM202開始一直到X2進行檢修，對X2一直到1X7.3再到NCAN進行檢修；第二步：對交流器1X7.3和CM202兩處的DB接頭引腳的焊接情況進行檢查，確定是否焊接牢固，同時對引腳處的終端電阻進行檢查，確定其是否存在；第三步：對變頻器控制器內的通信訊各項參數設置進行檢查，確定其是否存在設置問題，按照經驗將CUT-OFF"TIMEOUT設定為0，因此可以不對其進行檢測；第四步：對CM202通信訊模塊中的指示燈進行檢查，一方面檢查指示燈本身質量問題，另一方面檢測指示燈電源供電情況；第五步：對NCAN模塊指示燈進行檢查，一方面檢查指示燈本身質量問題，另一方面檢測指示燈電源供電情況；第六步：對DNCU模塊指示燈進行檢查，一方面檢查指示燈本身質量問題，另一方面檢測指示燈電源供電情況。

4.2""變頻器跳閘故障處理方法

第一步：對箱變跳閘情況進行檢查，看其是否跳閘，同時對跌落保險跌落情況進行觀察；第二步：對風力發電機主控操作界面進行觀察，如果出現其他它故障，主控操作界面會進行故障提示，依照故障提示對相應故障，如變頻器通信信號缺失等進行處理；第三步：觀察變頻控制器故障可以利用相應軟件進行，通過查看軟件中的故障記錄可以對相應故障進行了解。并對故障原因進行分析，引發故障的原因有很多，如并網開關故障、電網過低故障、發電機超欠速故障、變頻器內部過高溫度故障、定子側出現過電流故障、發電機編碼器出現異常干擾等，針對不同類型故障需要采用不同處理方法，以提高故障處理效率和質量。

4.3""變頻器并網超時故障處理方法

第一步：對發電機風速進行觀察，主要是風速變化情況，重點檢查風速是否不足，測定風速的風向儀是否存在故障導致測量結果不夠準確等；第二步：對并網開關內的所有線圈進行檢查，是否存在線圈破損等情況，導致內部回路出現故障，引發并網故障；第三步：對變頻器內部的交直流保險進行檢查，是否存在破損現象，回路是否處于正常狀態，供電是否正常等；第四步：利用計算機系統對控制變頻器進行實驗，對其進行直流充電檢測，檢測其內部充電回路是否存在異常情況；第五步：對功率模塊的二級管導通電壓利用萬用表進行測量，檢查"內部IEBT功率模塊是否存在異常狀況。

5""風力發電機變頻器故障診斷技術

5.1""神經網故障診斷

神經網故障診斷又稱人工神經網絡故障診斷，該故障診斷技術模擬人類大腦神經網絡，利用諸多處理單元構成一個復雜網絡系統對變頻器故障進行診斷[5]。通過對人類大腦生理結構進行深入研究和分析，模擬大腦數據處理方式，將數學學科、神經學科、統計學學科進行融合升級。神經網故障處理技術能夠利用各種數據信息對網絡淺層和深層進行深入評價和分析，利用神經網絡的多元性結構，可以使分析結構更加真實。該項技術的優點是可以不建立數學模型也可以實現分配和診斷現場數據信息，能夠對數據種類進行明晰，可以使所有結構數據全部呈現出來，從而提高數據診斷的真實性和精準性。

利用遺傳算法對神經網絡故障診斷技術進行優化升級，可以對直驅式發電機變頻器中的開路故障進行診斷，能夠提高故障診斷精度。首先，構建數據模型。計算出發電機變頻器用功功率，利用遺傳算法機計算出注入功率，然后得出定子電壓方程式，建立網側變頻器數學模型，根據數學函數公式得出結論，變頻器開關出現故障會導致變頻器開關函數發生變化，從而導致變頻器出口電壓和輸入功率產生變化，可以明顯看到出現波形畸變現象，通過觀察波形變動判斷變頻器故障。；其次，構建仿真模型。對直驅式風力發電機對地電容、濾波電感、額定風速、PWM脈沖信號頻率等進行設定，并對故障類型進行不同組合設定，得到各自故障波形。通過對不同故障波形變化情況和正常波形進行對比分析，對故障類型和位置進行合理設定。；最后，設計智能故障診斷系統。核心算法利用BP神經網絡，并將遺傳算法引入神經網網絡中，對初始閾值和權值進行優化，從而促使神經網絡對故障類型的診斷能夠更加精準。通過優化后的BP神經網絡，對個體適應度值進行計算，可以得到最佳神經網絡參數，通過數據測試故障預測誤差率大大減少，故障類型預測精準度更高。

5.2""小波分析故障診斷

小波分析故障診斷方法目前得到廣泛應用，是信息處理方法中非常重要的一種。小波分析診斷進行數據分析時利用小窗口方位和情況的移動和改變，可以對故障進行快速分析和診斷。小波分析診斷以神經網絡數據為基礎，通過小窗口和神經網絡數據進行對應，可以對數據進行進一步分析和處理，從而發現變頻器故障，并對其進行診斷分析[6]。將小波分析技術應用到變頻器故障診斷中既可以獲得更加精準的診斷結果，又能提升診斷效率。

小波分析診斷技術其波動性呈現正負交替特點，具備實時信號分析檢測功能，能夠采集變頻器輸入電流信號所產生的圖像，從而實現故障診斷。常采用傅里葉變化將信號頻域和視域特點有機聯系，從而進行信號處理。傅里葉信號具有統計特點，累積整個時域內的信號，但對于局部信號缺乏分析能力。其能夠對特性頻率進行識別，能夠提高多分率識別能力，能夠調節焦距，類似于顯微鏡，利用頻率窗口轉變可以檢測所有物體，同時能夠對特定頻率內的所有信號進行識別、收集和處理，通過處理結果對變頻器故障進行診斷分析。

6""結語

本文文章重點對風力發電機變頻器故障類型、處理方式、診斷技術進行介紹，希望為發電機變頻器故障診斷提供行之有效的方法。隨著信息科技發展，未來更加先進的診斷技術將會應用到風力發電機變頻器故障診斷中，從而推動風力發電機變頻器故障診斷邁向全新階段，為我國風力發電系統平穩安全運行提供有力保障。

參考文獻

[1]張博源.變頻器的使用及維護探討[J].工程技術研究，2020，5（20）：125-126.

[2]樊小波.變頻器在風機控制中的應用[J].集成電路應用，2021，38（8）：88-89.

[3]鄒小洪.淺談雙饋異步風力發電機變頻器運行控制技術[J].紅水河，2020，39（02）：49-52，+57.

[4]聶夢麒，劉麗.變頻器的故障處理及維護保養[J].通信電源技術，2020，37（7）：164-166.

[5]鄒武俊.風力發電及變頻器的仿真與控制研究[D].北京：華北電力大學，2019."[6]潘力強，李娟，楊高才，等.帶全額變頻器的感應風力發電系統控制策略[J].吉首大學學報：：自然科學版，2020，41（6）：37-44.