李文才
大唐云南发电有限公司新能源分公司 云南大理 671000
摘要: 本文介绍了早期风电场国产变频器故障频发的现象，对这一系列故障原因进行了阐述与分析，并分别提出相应改进方案与处理防范措施，对于相关专业人员在处理类似故障时有一定的借鉴作用。
关健词: 1.25MW双馈机组：变频器故障：技术改造 ：防范处理措施 ：
0 引言
随着新能源发电技术的高速发展，截止2019年年底，我国风电累计装机容量已突破2.1亿千瓦大关。同时早期机组服役时间较长，各类设备故障明显逐年增多，机组核心部件开始问题凸显，而1.25MW型机组为水冷IGBT 变频器故障更为突出。变频器系统是风电机组的重要组成部分，它将发电机传来的电能进行调频、调压整合成电网可接受的电能的装置，控制转子绕组的励磁电流的大小和频率及其方式来调节发电机和变频器系统的输出电压和频率，通过控制功率模块来实现，功率电子控制器利用脉冲宽度调制（PWM）方式触发IGBT 元件的技术，从而在输出时产生几乎是完整的正弦电压。
1 技术背景
目前早期国产化机组已运行时间多年，由于当时国产机组技术不成熟，核心技术不先进，质保期内维护质量不到位，机组在质保期内几乎由设备厂家进行维护管理，业主单位很少参与机组检修与监督验收，同时部分小故障未能得到及时解决，导致出质保期后机组设备问题集中突显，后期设备运行质量存在严重隐患。特别是近年来风电行业发生多起机组着火、倒塔等严重问题，设备核心大部件问题批量发生，质量隐患突显。为机组后期运行设备问题故障频发埋下了隐患，维护成本增加，经济效益不佳。
公司所属风电场所使用的1.25MW双馈机组均已投产9-11年且已出质保，出质保期后机组自行进行维护，由于技术力量薄弱，人员紧缺，且因设计缺陷未充分考虑现场情况且设备质量工艺问题，风电场地处高海拔、高湿度、昼夜温差极大，导致电气设备绝缘受损，而日常消缺维护、定检工作未能达到相应要求，故障频发，机组发电量锐减，机组可利用小时数逐年下降。本文通过对此类机组水冷式IGBT 变频器故障进行分析，分别提出相应改进方案，以确保机组运行安全可靠。
2 相关政策
由于机组运行中存在诸多问题，各业主单位也在积极寻找各类解决办法，毋庸置疑在原有的风资源条件下，更换新机型设备为不错的选择，但目前各项政策模糊、环保送出线路各项问题无法解决，且老的机组更换下来后如何处理，财务风险如何避免等问题困扰着发电企业。面对这些问题，设备的技术升级改造无疑为最佳的选择，因不涉及投资和能源管理部门的管控问题。技术升级改造将更加简单便捷，性价比更高，通过提质增效提高机组运行可利用率无疑为最稳妥的选择。
3 故障简介
据公司所属风电场现场统计，2020年前三季度，一期风电场共发生124次故障，其中变频器故障有28次，变频器故障率为22.58%，二期风电场共发生99次故障，其中变频器故障有41次，变频器故障率为41.41%，变频器故障率高的风电场可利用率及可利用小时数在横向、纵向对标中排名靠后，变频器故障频发严重影响公司的经济效益。其中“变频器冷却水过热”故障、“变频器冷却水压力低”故障、“变频器IPM”故障，这三个变频器故障最为频发。
4 故障原因分析
1）引起变频器冷却水过热原因主要有：一是冷却水系统循环不充分，没有将变频器工作中产生的热量及时散发到大气中情况；二是变频器冷却水温控阀损坏。针对以上两种情况，如冷却系统运行不正常，将进行更换辅助触点、电磁线圈或更换电机。如温控阀损坏，将更换新的温控阀。
温控阀损坏原因分析：
① 由于温控阀的两个流道及一个通道均是垂直于滑道和处在滑道中弹簧的横侧面，冷却介质间的流动必须要横向穿过弹簧，当温控阀感温探头遇热后膨胀，推动阀芯移动，在阀芯的移动过程中，弹簧受力压缩，冷却介质的流通面积随弹簧的压缩而逐渐减少，冷却介质在流动中必须经过温控阀的阀芯和弹簧的径向直通道流出后进入水泵入口，因此阻力损失较大，当弹簧压缩到限位值后，阻力达到最大，系统流量也降到最低，系统的冷却效果受到影响，这是温控阀自身设计缺陷所致，现场处理的办法是给变频器冷却系统添加足够多的冷却水，确保系统压力够大来弥补弹簧压缩后造成阻力损失的缺陷，确保冷却系统的散热能力满足系统正常工作的要求。
② 风机投产运行多年，由于温控阀长时间运行，阀芯动作过程中不断对弹簧动作，弹簧反复压缩与伸长，一是弹簧的材料已老化，二是弹簧动作次数已达到年限，从而导致弹簧硬化后，当温控阀感温探头遇热后膨胀，推动阀芯移动时，阀芯对弹簧的作用力小于弹簧自身弹性形变所需的平衡力，阀芯无法在滑道内移动，导致温控阀失效。
③ 温控阀长时间运行，且现场环境恶劣，温控阀的感温探头反反复复的受冷、受热，到运行年限后感温探头材料失去热胀冷缩的功能，导致温控阀失效。
目前针对温控阀失效问题，国内专业人员给出的方案为将原装的温控阀替换为压力随动温控阀，以降低故障率，但目前此类温控阀成本较高，大大增加了维护成本。
2）变频器冷却水压力低故障的主要原因为：抽水泵法兰垫片及密封圈损坏、冷却水管龟裂渗水导致冷却系统缺水故障。解决措施：加强机组巡视，及时添加冷却水，对损坏的冷却水管及法兰密封圈在定期检验维护过程中及时进行更换。
3）变频器IPM（功率模块）故障主要原因为：光纤驱动板潮湿 、生锈等自身故障，解决措施：检查变频器柜体内除湿机、加热器功能是否正常，定期清扫发电机滑环室碳粉等，机舱进行防潮处理，防止柜内湿度超过规定范围。
IGBT模块故障导致整块模块爆炸，主要原因为IGBT模块上下桥臂未正常打开，造成电容的短路，能量瞬间从回路中释放，而整个回路中阻抗主要集中在IGBT模块中，因此能量在IGBT模块中释放变引起了爆炸。驱动板受潮，光纤驱动电路失效，IGBT功率模块上下桥臂交替开通和关断失败，能量在IGBT模块中集中释放变引起了爆炸；由于长时间运行，电缆发电、电抗器击穿损坏等因素导致IGBT模块过流、过压、反向偏置失败，从而引发爆炸；变频器冷却系统缺水且压力开关26B7损坏，导致功率模块IGBT过温，引发高能的瞬间产生，从而引发爆炸。
5 整改措施
通过对机组变频器多种故障原因的分析，为根本性解决变频器产时间较长，设备老化、设备落后、备品备件停产、机组功率曲线达不到预期等一系列问题，严重影响着机组可利用率和生产效益，通过机组技术改造，依托新技术和新方法，提高机组发电性能和安全可靠性，以获取更大的机组价值及发电效益成为更紧迫的工作，机组提质增效工作迫在眉睫。针对此类机组变频器故障所进行的技改改造为：
1）在原变频器柜体结构保持不变的情况下，主要通过替换原变频器的IGBT 功率模块、转子接触器、控制板、高低穿组件、滤波系统和对外通讯模块，完成对变频器进行升级改造，
其余所需电抗器、断路器、接触器等电气件仍采用既有器件，实现利旧的目标，充分降低
改造费用。
2）为满足电网谐波要求，原有变频器网侧滤波回路使用的电容质量比较差，加上更换控制系统后的差异，对网侧滤波回路进行了优化，将网侧滤波回路电容进行更换，滤波电容容量加大，谐振频率满足要求。
3）为满足电网高低电压穿越能力要求，功率模块柜增加FRT 组件 ，其由Crowbar 与Chopper 两种保护电路组成。能充分满足风电场关于LVRT及HVRT 的要求。
4）改造后变频器与主控采用Canopen 总线通讯方式，并保留原有热线连接的通讯方式。电气接口完全兼容原变频器对外一切接口，并能满足电网AGC、AVC功能、一次调频等功能要求。
6 改造后具备的优点
在稳定性方面：机组变频器改造完成至今机组运行稳定，在今年年初大雪冰冻灾害极端恶劣气候条件下机组未发生一起变频器故障停机事件。
在功率调控一致性方面：改造后机组并网快，功率实时调控响应灵敏，机组在切入风速至额定风速区功率调控十分平滑，机组在额定风速至切出风速区功率高出设计曲线8.86%。
功率柜新增的FRT 组件，由Crowbar 与Chopper 两种保护电路组成，让变频器满足高电压穿越、低电压穿越功能；有静止发无功能力，可在风机不启动条件下是发无功，作为无功补偿器，支持风电场无功调度功能，让风电机组具备有功调频、无功调压功能；控制柜新增的控制器上预留了以太网接口，用户经授权后可访问所有期望的数据信息，满足电网、集控中心等功能模块的监视调节和数据上传功能的要求，可远程实现变频器的远程监控及诊断维护；高湿度环境下，水冷单元容易产生凝露，容易导致电气短路风险和腐蚀。IGBT 水冷散热结构采用垂直设计，凝露不会聚集，水滴不会滴到电气元件上，且底部设计带倾斜角度和导流管的接水盘，母排采用叠层防护设计，易凝露的结构件增加植绒处理，降低了因现场散热风扇性能下降导致变流器高温故障停机的风险。
发电机转子进线端增加RC滤波器，更换原电抗器，最大限度的保护发电机励磁系统安全稳定可靠运行；换原变流器的滤波电容同时增加滤波支路监测霍尔，保留原变流器的电抗器，增加装尖峰吸收电阻，更换du/dt 电抗器，优化了回路，有效改善了原变流器滤波系统损坏后输出质量差的电能反噬损坏其它系统而引发不明机组故障的现状，同时新增的谐波电压前馈控制、谐波电流变换控制等谐波抑制措施，让变流器的电网适应性能力大幅增强，大幅降低谐波干扰和噪声，有效降低了变流器的故障率、提高了可靠性。
7 结束语
随着技术的进步，风电技术改造市场终将面临更大的挑战。需要技术改造工作更加深入、更加专业，更加标准。用高质量的检修维护、高质量的备件、高质量的验收、高标准实现标准化技改，这对于降低风机的运维和改造成本非常有必要，只有解决了标准化的定期维护工作、大部件的标准化管理问题，才能解决整机设备问题以及后续的运维成本。
参考文献
[1] 海立特公司《1.25MW风机变频器水冷系统维护使用手册》 2011年
[2] 王云海 等 《风力发电基础》 2010年
[3] 风机变频器故障频发原因分析 2019年
[4] 大部件问题不容忽视，双馈1.5MW机组齿轮箱故障盘点 2020年
作者简介:李文才（1988年2月-），男 ，云南丘北，工程师，本科，工学学士，单位：大唐云南发电有限公司新能源分公司；主要从事风电场设备检修、技改、安全管理等工作。