ABB-ACS800-67型變頻器在風(fēng)電領(lǐng)域運行穩(wěn)定性研究

劉文龍

（廣西桂冠電力股份有限公司山東分公司，山東 煙臺 264003）

1 典型案例分析

華北地區(qū)某風(fēng)電場使用的風(fēng)機為東汽FD77C-1500型雙饋風(fēng)力發(fā)電機組，其配套使用的ABB-ACS800-67變頻器，風(fēng)電場#4風(fēng)電機組報“變頻器脫網(wǎng)、變頻器電網(wǎng)錯誤、變頻器錯誤、變頻器未就緒”故障停機，隨后風(fēng)機遠(yuǎn)程通信中斷。此時天氣晴；溫度4 ℃；平均風(fēng)速11.5 m／s左右；風(fēng)向西北。事件發(fā)生前全場設(shè)備運行正常。#4機組故障前場站母線電壓Uab：36.92 kV、Ubc：37.2 kV、Uca：37.1kV；全場總有功17 087 kW；風(fēng)速：11.2 m／s；#4風(fēng)機高速軸轉(zhuǎn)速1 745.6 rpm（額定1 780 rpm）；低速軸轉(zhuǎn)速16.6 rpm；功率1 470 kW；電壓AB：709.2 V；AC：711.3 V；BC：714.5 V；電流A相1 179.4 A；B相1 217.6 A；C相1 183.4 A；三面槳葉：0.8°[1]。

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)機UPS電源開關(guān)F16跳閘、變頻器控制電源開關(guān)F11跳閘、變頻器網(wǎng)側(cè)模塊外觀有燒壞痕跡、網(wǎng)側(cè)模塊800 A直流保險動作、并網(wǎng)柜400 A和200 A保險動作。使用調(diào)試電腦讀取變頻器報“ISU TRIP”網(wǎng)側(cè)跳閘、“ISU OVERCURRENT”網(wǎng)側(cè)過流、“ISU MAIN BR FLT”網(wǎng)側(cè)主接觸器故障。拆除損壞的網(wǎng)側(cè)功率模塊發(fā)現(xiàn)，三相IGBT均已經(jīng)損毀，附帶周邊控制板件燒壞嚴(yán)重。

排查網(wǎng)側(cè)功率模塊燒壞原因，發(fā)現(xiàn)充電K1主接觸器存在粘連現(xiàn)象，拆除接觸器后無法打開，動靜觸頭已經(jīng)粘連嚴(yán)重，無法分離。檢查LCL濾波電容鼓包。更換新ISU網(wǎng)側(cè)模塊，并更換LCL濾波電容和K1接觸器，更換熔斷器，檢查充電回路無異常后做充電試驗正常。隨后對變頻器做零速試驗，判斷變頻器在發(fā)電機靜止?fàn)顟B(tài)下啟動是否正常，零速試驗正常通過，說明變頻器已恢復(fù)正常運行，監(jiān)控啟動并網(wǎng)恢復(fù)正常。變壓器零速試驗正常波形如圖1所示[2]。

圖1 變壓器零速試驗正常波形

2 原因分析

模塊內(nèi)部NRED穩(wěn)壓電阻損壞，造成IGBT炸機損壞。該風(fēng)場使用的NRED穩(wěn)壓電阻運行年限近十年，老式NRED持續(xù)運行在較差環(huán)境下，容易損壞并引起IGBT的損壞。

IGBT自身絕緣降低，造成炸機損壞。IGBT在長達(dá)十年的運行周期后，其自身絕緣也會存在降低現(xiàn)象，個別IGBT甚至存在裂化趨勢，存在絕緣值偏低或裂化趨勢的IGBT在運行中極易造成炸機現(xiàn)象。

電容內(nèi)部故障或損壞。若電容器內(nèi)部故障或阻值偏低也會造成K1接觸器觸頭發(fā)熱，長期運行會造成粘連，變頻器網(wǎng)側(cè)模塊無法脫網(wǎng)，過流造成IGBT模塊炸機，進(jìn)而造成事故的擴大化。

散熱效果不佳，造成模塊內(nèi)部過熱IGBT損壞。檢查中發(fā)現(xiàn)該風(fēng)電場功率模塊散熱風(fēng)扇在運行中存在異常聲響，根據(jù)散熱風(fēng)扇的使用壽命，這些風(fēng)扇大都需要保養(yǎng)，嚴(yán)重的需要更換，繼續(xù)使用會嚴(yán)重影響模塊內(nèi)部部件，尤其是IGBT的散熱效果。模塊散熱不佳也會造成損壞。

K1主接觸器粘連。若K1主接觸器粘連，會造成變頻器網(wǎng)側(cè)模塊無法脫網(wǎng)，過流造成IGBT模塊炸機，同時與網(wǎng)側(cè)模塊同一回路相連部位800、400、200 A保險動作。具體主接觸器粘連原因分析如下。

第一，動靜觸頭磨損嚴(yán)重，間隙過大，在加之當(dāng)日風(fēng)機滿負(fù)荷運行，長時間吸合，觸頭溫度高，接觸器面接觸電阻越來越大，造成接觸器粘連。由于燒壞的接觸器動靜觸頭已經(jīng)粘連，無法打開，不確定原動靜觸頭磨損情況。

第二，接觸器線圈電源異常，電源電壓太低（低于額定85%），導(dǎo)致線圈磁系統(tǒng)吸力不足而造成觸頭反復(fù)振動，發(fā)生電弧熔焊，接觸器粘連；檢查接觸器線圈電源由UPS電源供給，此風(fēng)機UPS電源運行正常，分析是否與電網(wǎng)諧波分量過大，造成接觸器線圈絕緣故障，滿負(fù)荷情況下脫開瞬間，接觸器燒壞粘連，查看當(dāng)日電能質(zhì)量，電壓諧波2、3、4、23、25次不合格，電壓不平衡度3.36%，不合格，總諧波電壓畸變率19.76%。

第三，接觸器彈簧反作用力過強會造成吸合過慢或吸合不緊，加之當(dāng)日風(fēng)機滿負(fù)荷運行，長時間吸合，觸頭溫度高，接觸器面接觸電阻越來越大，造成接觸器粘連。由于接觸器已粘連嚴(yán)重，無法拆除，不確定彈力彈力是否正常。

3 穩(wěn)定運行優(yōu)化方案研究

3.1 優(yōu)化升級改造NRED壓敏電阻，提高供電可靠性

風(fēng)力發(fā)電機通常安裝在惡劣的環(huán)境下，并有著其應(yīng)用的特殊性；風(fēng)機通常安裝在多沙塵、寒冷、高溫高濕和多鹽霧等惡劣的環(huán)境中；風(fēng)機的頻繁切入、切出；風(fēng)場所處的電網(wǎng)環(huán)境不穩(wěn)定，電網(wǎng)故障和負(fù)荷調(diào)節(jié)等產(chǎn)生欠電壓和過電壓。這些都給風(fēng)機各個部件的可靠性運行帶來挑戰(zhàn)[3]。

對于頻繁切入和切出的風(fēng)機，由于變頻器的快速充放電、高溫的環(huán)境、電網(wǎng)故障和負(fù)荷調(diào)節(jié)等產(chǎn)生的欠電壓和過電壓，會加劇NRED穩(wěn)壓模塊溫度的變化，可能會致使損壞。

NRED穩(wěn)壓模塊取自模塊的直流電壓穩(wěn)壓后供給APOW電源板，經(jīng)過APOW電源板給AINT等提供±24 V電源，AINT板控制著IGBT的調(diào)制及驅(qū)動供電；NRED在IGBT調(diào)制時出現(xiàn)損壞，會引起IGBT調(diào)制的失控導(dǎo)致IGBT損壞，進(jìn)而引起炸機情況出現(xiàn)。

從改善風(fēng)電變流器運行可靠性著手，優(yōu)化NRED升級方案是首先考慮的問題，可將NRED升級改造為具備過流保護(hù)的組件，前端加裝熔斷器穩(wěn)定電流輸入輸出。通過改造，該風(fēng)電場未發(fā)生過因NRED故障造成功率模塊損壞事件[4]。

每季度對變頻器電容、K1主接觸器觸頭磨損情況、彈簧彈力進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常及時更換。

3.2 優(yōu)化功率模塊散熱風(fēng)扇啟動方式

對風(fēng)扇啟動電容進(jìn)行升級，增大風(fēng)扇啟動電容，確保風(fēng)扇啟動順暢。功率柜散熱風(fēng)扇應(yīng)每季度進(jìn)行一次檢查，測試其抽風(fēng)強度。同時對功率模塊內(nèi)部過濾棉進(jìn)行定期更換（1次/年）。

3.3 優(yōu)化UPS供電可靠性，定期檢查風(fēng)機UPS電源

風(fēng)電機組運行年限超過十年需定期關(guān)注風(fēng)機塔基UPS電源，即變頻柜內(nèi)UPS裝置，蓄電池報警需及時更換，在ACS800-67變頻器中UPS作為變頻器主電源，必須保證其供電可靠性，否則瞬時斷電會對變頻器主控程序造成沖擊，避免造成重大故障發(fā)生。

3.4 優(yōu)化變頻器整體運行環(huán)境

針對風(fēng)電變頻器運行條件惡劣，多數(shù)處在沙塵、寒冷、高溫高濕和多鹽霧環(huán)境中，尤其夏季ACS800-67變頻器多數(shù)會出現(xiàn)超溫停機，冬季會因低溫保護(hù)不啟動，嚴(yán)重影響設(shè)備運行的可靠性。結(jié)合幾年的摸索并借鑒國內(nèi)主流變頻器的散熱模式，采用對變頻器進(jìn)行加裝空調(diào)的模式，使其持續(xù)運行在恒定的環(huán)境溫度下，保證變頻器的運行可靠性，從而提高設(shè)備可靠性和風(fēng)機利用率。

3.5 優(yōu)化風(fēng)機并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，加裝并網(wǎng)接觸器

該ACS800-67型雙饋風(fēng)力發(fā)電變流器原設(shè)計采用并網(wǎng)斷路器實現(xiàn)風(fēng)機并網(wǎng)、脫網(wǎng)及保護(hù)，在實際運行過程中，由于并網(wǎng)開關(guān)頻繁動作，并網(wǎng)開關(guān)易造成操作機構(gòu)卡澀導(dǎo)致風(fēng)機設(shè)備損壞。通過定子接觸器方案設(shè)計后，可實現(xiàn)正常并網(wǎng)、脫網(wǎng)由定子接觸器完成。保護(hù)原定子斷路器，作為保護(hù)和電氣開斷。實現(xiàn)選擇性分?jǐn)?，通過對定子電流的測量和軟件功能，在定子出現(xiàn)較大電流時的脫網(wǎng)由定子斷路器來執(zhí)行。冗余脫網(wǎng)保護(hù)，在定子接觸器失效時，軟件將及時執(zhí)行斷路器脫網(wǎng)。改造升級后，將大大降低定子斷路器的動作次數(shù)，從而延長其使用時間，并確保風(fēng)機運行的安全性和可靠性。該案例已成功在華北地區(qū)某風(fēng)電場實施。

3.6 優(yōu)化ACS800-67變頻器遠(yuǎn)程監(jiān)控功能

由于現(xiàn)有的ABB-ACS800-67變頻器不具備遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，風(fēng)機在報變頻器故障時，無法查看詳細(xì)故障，造成消缺工作滯后，有時會造成故障的誤判。為優(yōu)化變頻器安全穩(wěn)定運行可在變頻器控制端加裝通信交互模塊，接入風(fēng)機環(huán)網(wǎng)，通過風(fēng)機環(huán)網(wǎng)接入后臺風(fēng)機SCADA監(jiān)控，這樣可大大縮減變頻器故障分析的時間，提高消缺速率。目前在華北、華東地區(qū)幾個風(fēng)電場已成功實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，效果顯著[5]。

4 結(jié) 論

綜上研究，ABB-ACS800-67型變頻器雖然適用于早期風(fēng)電領(lǐng)域運行要求，但隨著電網(wǎng)要求不斷提升，ACS800-67型變頻器問題越來越突顯，該變頻器的運行穩(wěn)定性研究至關(guān)重要。本文通過實例和風(fēng)場實踐提出了優(yōu)化方案。通過優(yōu)化改造NRED、加裝并網(wǎng)接觸器、優(yōu)化散熱風(fēng)扇啟動方式、優(yōu)化UPS電源供電、優(yōu)化變頻器運行環(huán)境和遠(yuǎn)程監(jiān)控等多途徑、多角度闡述如何提升ACS800-67型變頻器的運行穩(wěn)定性，以滿足生產(chǎn)要求。