罗富成
大唐辽宁分公司新能源事业部 辽宁沈阳 110000
摘 要: 针对风电机组变流器故障中大量的风机损坏故障，进行了解体检查和故障分析。在分析中，确定了大事件跟小事件的交集，并且对与重要的小事件进行了评估跟分析，制定了相应的改进方案。改进方案实施后，取得了良好的改进效果。
关键词: 风力发电机 变流器 故障 改进
一、发生网侧甩负荷故障时的变流器运行特点分析
为了能更好理解发生网侧甩负荷故障时变流器将出现的非正常工况，本节先对不采取任何保护策略的情况进行分析。
1.1 理论分析
根据网侧甩负荷故障的定义可以看出，故障时刻机组从叶轮到发电机到变流器的机侧都没有发生变化，可以看作一个恒定的直流功率输入源。这样可以将机组简化为电路图。实际应用对于大容量变流器网侧会采用并联运行的方式，但仍可用电路图进行分析。网侧甩负荷故障时的简化电路可以看出，无论故障点 1 还是故障点 2发生断路器跳闸时，机组的 Pout突变为 0，而因机组的叶片、机侧整流器等工况未变，机侧输入功率 Pin仍保持不变。根据 PWM 整流器工作原理，直流母线电容上电压会升高，根据能量守恒原理可得到如式（1）所示的直流母线电压和机侧功率输入之间的关系。C 为直流母线电容的容值；Udc1为故障发生后 t 时刻的直流母线电压值；Udc0为故障发生前正常运行的直流母线电压值；Pin为机侧输入的功率。根据式可以看出，发生甩负荷故障后直流母线电压会快速上升。例如某型 2MW 变流器，直流母线电容容量为 32mF，正常工作时直流母线电压为 1050V，发生故障后上升到目前绝大部分低压两电平变流器用 IGBT 的集、射极击穿电压（VCES）1700V所需的时间仅为 0.0143s。对于其他功率等级的变流器，由于母线电容和功率等级之间关系基本一致，故障发生后直流母线电压上升到 VCES的时间都在 0.015s 左右。直驱机组中全功率变流器的网侧逆变器实际上是三相电压型 PWM 整流器，其控制策略一般都采用应用最为广泛的基于同步旋转坐标变换的电压定向控制（VOC）电压定向控制（VOC）系统框图可以看出当故障 1 点发生跳闸故障时，网侧逆变器变为只有网侧滤波器作为负载，当在故障点 2 发生跳闸时，网侧逆变器变为网侧滤波器加上变压器低压侧绕组作为负载，而变压器处于空载运行的高阻抗状态。这两种工况对于变流器来说输出的有功功率近似为 0。根据系统框图可以看出，当直流母线电压 Vdc增加时，网侧输出电压会跟随增加，而不是表现为网侧电压跌落。
1.2 不采取任何保护策略时的仿真结果
为了验证上述分析的正确性，建立如的 Matlab/Simulink 仿真模型。模型中机侧部分用根据直流母线电压和功率而计算得到的受控电流源替代；网侧逆变器的控制器根据变压器低压侧和网侧滤波器之间的电压、电流信号和直流母线电压信号作为输入，构成电压定向控制算法。变流器通过变压器连接到 400MVA 的电网中，用来模拟实际风机连接到大电网的情况。在 0.2s 时刻控制变压器低压侧断路器断开，可得到仿真波形。可以看出，在故障发生前网侧输出为单位功率因数状态，直流母线电压能很好地跟随给定值，故障发生后直流母线电压快速上升，网侧输出电压幅值也随之增加，而网侧输出电流降为 0。当然实际中不能让这种情况出现，否则会对功率模块和网侧滤波电容等造成损坏。
二、故障现状
不同的供应商，其变流器产品的故障模式差异较大，因此考虑从装机占比、故障占比等方面确定需要改进的供应商对象。截至 2017 年 12 月 31 日，2 MW 变流器装机情况。
其中，供应商 1 的占比约为 45%，供应商 2 的占比约为 28%，供应商 3 的占比约为 27%。对故障较多的供应商1和供应商3变流器产品故障数据进行初步统计，2017 年 1 月 1 日至 2017 年 12月 31 日，供应商 1 变流器发生故障 389 次，供应商 3变流器发生故障 194 次。对供应商的配合和技术能力等进行分析，供应商 1 属于集团供方，技术支持及配合能力较好。综合装机情况、故障占比、供应商配合与技术能力，决定选取供应商 1 作为需要进行改进的供应商对象。
2017 年 12 月 25 日至 2018 年 6 月 4 日，笔者公司供应商 1 变流器故障数量总计为 267 次，故障数量较多的故障模式对变流器部件故障情况进行分析，风扇损坏占比较高，包括侧门风扇、离心风扇、循环风扇。统计 2018年 3 月至 6 月 12 个风电场的数据，总计 116 台风扇损坏。从分布情况看，风电场 3 风扇损坏数量较多。从数据统计看，风电场 3 同时有三种风扇发生损坏，并且损坏占比较高。因此，选取风电场 3 作为需要进行改进的风电场对象，改进目标为从 2018 年 7 月起的一年内，风电场三年内 2 MW 变流器风扇损坏月平均故障率下降 50%。
三、风电变流器的基本情况
在风力发电机组中，风电变流器是其中的一个大型核心部件，风电变流器的性能直接影响到了风力发电的状况。人们为了能够让风机得到有效实用的最佳风能的捕获，于是选择了在风电机组中采用现金的变速恒频技术。从而成功的使得改良后的发电机转速能够通过风力的大小智能的不断变化。维持桨叶顶端速度与风速比，也就是在较宽范围内使其维持最佳的叶尖速比。目前人们主要是利用风电变流器的应用来实现变速恒频，对高电压和低电压穿越还有对电网的无功率支持。无论是国内还是国外，并网式的风力发电系统中应用的风电机组大部分都有效的采用双馈变流器和全功率变流器。
3.1双馈变流器的应用
相对于其他技术人们对于双馈变流器的发展较为先进和成熟。它可以根据用途分为多种拓扑结构，在生活实际应用中，它主要是以电压源型双WPM变换结构为主，其他结构为辅助相互配合。这种结构的优点是灵巧的实现了发电机在较宽的理想转速范围内稳定运行，并且它的设计电路简单，很是巧妙地运用了交-直-交的方式来更好实现人们一直想要实现的两个变换器之间的解耦。与其他风电变流器采用的的技术不同，双馈变流器使用的关键技术在于有效利用变流器的励磁控制策略。
3.2全功率变流器的应用
全功率变流器中的额定功率相对其他变流器而言较多，当前的主要有1. 5MW, 2MW, 2.5MW, 3MW, 5MW,或者6MW。不过人们常用的主流功率是1. 5MW, 2MW, 2. 5MW。由于实际生活中风电机组接入点电压等级存在不同程度上的差异，人们将全频功率变流器拓扑结构主要划分为两大类，一类是采用二电平结构，它经常被应用于生活中的低电压系统，电网电压等级一般都在690V以下。另一类则是采用多电平结构，主要应用于生活中的中压系统，电网电压等级-般都在在590V以上，两者相互搭配满足人们的日常需求。二电平变流器和多电平变流器在控制原理上有很多的共同之处。
结语：
对于企业而言，提高产品的可靠性，可以增强企业的竞争力，并且提高企业的经济效益。利用故障树方法来进行产品质量改进，对于企业而言具有指导意义，是一种值得推广的改进模式。
参考文献：
[1]王丽敏.风力发电机变流器故障的分析与改进[J].机械制造,2020,58(04):104-108.
[2]王海鑫,杨俊友,李欣,邢作霞,崔嘉,李连富,王宇帆,李春来.电网故障下直驱永磁风力发电机组机侧变流器改进控制策略[J].可再生能源,2015,33(11):1632-1639.