波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用

周曉東

摘要：本文首先分析了雙饋式異步發(fā)電機的構(gòu)成和原理，接下來詳細闡述了以案例形式詳細闡述了波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用，希望通過本文的分析研究個，給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。同時希望為我國波形分析在風電機組變流器故障處理中的應用的探討獻言獻策。

關(guān)鍵詞：風力發(fā)電;變流器;故障處理;波形分析

引言

風能被稱為清潔的綠色能源，隨著許多研究工作的進行，越來越多的高效風電機的開發(fā)，使世界上大多數(shù)國家都能獲得這種清潔能源。此外，它的可靠性也非常重要，無論它是否將在規(guī)定時間段內(nèi)遇到的給定條件下有效地執(zhí)行其功能。從以前的文獻中可以看出，大多數(shù)情況下，各種故障發(fā)生在葉片/變槳機構(gòu)、變速箱系統(tǒng)、發(fā)電機、動力變流器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)。目前，大型風力發(fā)電機的發(fā)電功率約為6MW，用于近海和海上風力發(fā)電場。發(fā)電機組和電力變流器，在風力發(fā)電的整體可用性中起著非常重要的作用，因為如果電力變流器發(fā)生任何故障，它可能會關(guān)閉整個風力發(fā)電，因此這些電力變流器的可靠性在整個風電機組的停機中是非常重要的問題。根據(jù)風電機組的大氣條件和額定容量，風電機變流器可采用兩級開關(guān)變流器、三級開關(guān)變流器和多級開關(guān)變流器等不同的拓撲結(jié)構(gòu)。對于變速風力發(fā)電機，傳統(tǒng)的變流器沒有得到優(yōu)化，因為在較低風速下，由于產(chǎn)生的電壓降低或共振變流器中的某些循環(huán)電流降低，它們的效率很低。在低速時產(chǎn)生的電壓較小，因此變流器的效率也會降低，但借助不同的開關(guān)技術(shù)，即使在低電壓時也可以提高變流器的效率，并保持高輸出電壓。

1雙饋式異步發(fā)電機的構(gòu)成和原理

1.1構(gòu)成

變速恒頻雙饋式異步風力發(fā)電機的結(jié)構(gòu)與異步式發(fā)電機的結(jié)構(gòu)基本一致，都包括轉(zhuǎn)子、電刷及滑環(huán)。異步式發(fā)電機中，轉(zhuǎn)子可通過側(cè)入方式進入電機內(nèi)部，并進行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸?shù)男?，而且可穩(wěn)定異步式發(fā)電機的交流定頻。雙饋式異步發(fā)電機是由一臺帶電環(huán)的定子、變流器及異步電機共同組成。變流器主要通過交換電流輸出電流，在整體變流中的工作路程是不可逆的。變流器與集成電環(huán)相連，保證轉(zhuǎn)子在交流電路中以直流電的形式輸送電能，然后在交換機中進行交流轉(zhuǎn)化，經(jīng)平波電抗系統(tǒng)過濾后，對干擾因素和可逆電流進行回流，最終返回到電網(wǎng)。這一過程就是雙饋式異步發(fā)電機向電網(wǎng)輸送功率的具體過程。

1.2基本原理

由于雙饋式異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子在進行發(fā)電時，相較于空間內(nèi)的磁場，其相對位置是靜止的，因此當電機頻率不變時，定子頻率發(fā)生改變，與轉(zhuǎn)子之間的相對關(guān)系仍成立。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子的電流頻率關(guān)系公式為：

其中，f1為定子的電流頻率，單位為Hz;f2為轉(zhuǎn)子的電流頻率，單位為Hz;N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為rmin-1;P為發(fā)電機的磁極對數(shù);N1為同步轉(zhuǎn)速。由式知，若發(fā)電機的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率，以保證定子的頻率不變。為保證與電網(wǎng)相同的頻率進行電力輸送，恒頻的控制需以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的電流頻率實現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)子的運動速度與發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同，可將雙饋式發(fā)電機的運行狀態(tài)簡單分成同步運行狀態(tài)、低速同步狀態(tài)和超速同步狀態(tài)。雙饋異步發(fā)電機與電網(wǎng)之間的連接采用柔性連接。在發(fā)電機內(nèi)部，定子與外部發(fā)電網(wǎng)絡直接相連，利用環(huán)狀磁場抵消內(nèi)部的磁場力量，并通過控制轉(zhuǎn)子的相應流速、位置以及頻率等物理特征控制發(fā)電機的相應參數(shù)，最終實現(xiàn)變速恒頻控制。雙饋式異步發(fā)電機的并網(wǎng)過程：先啟動風力發(fā)電機組，由于初始速度較低需進行物理輔助;當轉(zhuǎn)子在回路中產(chǎn)生的電能足夠推動自身運轉(zhuǎn)時，實現(xiàn)與電網(wǎng)內(nèi)部的電壓同步，最終實現(xiàn)風力發(fā)電機快速與無電流沖擊并網(wǎng)。雙饋式風力發(fā)電機由電力磁場的相互作用實現(xiàn)發(fā)電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，但在頻率調(diào)節(jié)方面需精準控制。由于風力發(fā)電的轉(zhuǎn)數(shù)隨風變化，可進行雙饋式發(fā)電，以保障所產(chǎn)電能頻率穩(wěn)定。改變電流的增幅和相位關(guān)系，可改變電網(wǎng)中的電壓和發(fā)電機中定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系。兩者之間的相位角隨發(fā)電機發(fā)電功率的改變而改變，最終實現(xiàn)發(fā)電機有用功和無用功的動態(tài)調(diào)節(jié)。

1.3變流器的構(gòu)成及工作原理

變流器是實現(xiàn)電流調(diào)解的儀器，主要包括主電路系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、集成電路以及配電系統(tǒng)。各個系統(tǒng)又包括很多模塊，大致分為定子開關(guān)模塊、整流穩(wěn)流模塊、輸入輸出模塊、濾波器模塊、防逆變模塊、電流傳感模塊、散熱風機模塊、有線監(jiān)控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)子側(cè)逆變單元、電網(wǎng)側(cè)整流單元及直流母線單元。變流器的基本工作原理是將雙饋式異步風電機中的定子產(chǎn)生的電能通過變流的方式接入到電網(wǎng)中，實現(xiàn)電力的輸送。電力輸送過程中，需確保定子是圍繞其中一個變頻的交流三相電源進行相關(guān)作業(yè)，從而帶動另外幾個轉(zhuǎn)子運動。此發(fā)電方式可最大限度實現(xiàn)交流的勵磁效應，促進額定功率的增長。當負載產(chǎn)生的變化導致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動頻率發(fā)生改變時，可改變勵磁電流的運動頻率，促使整體輸出電流的頻率仍滿足額定需求。風力發(fā)電機所發(fā)電能需與電網(wǎng)的輸送頻率相同，以實現(xiàn)恒頻發(fā)電。當風電機處于超同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸送工頻電能。當風電機處于亞同步工作狀態(tài)時，網(wǎng)側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于逆變狀態(tài)，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路輸送電能。

2波形分析故障案例

某風電場#2風機報變流器系統(tǒng)故障，遠程可復位，下載變流器故障時刻波形，借助波形分析方法快速定位故障點。

2.1故障波形分析

下載故障時刻波形，依次調(diào)出發(fā)電機轉(zhuǎn)速波形、有功功率波形、三相定子電流波形、定子電壓波形、轉(zhuǎn)子電流波形，確定故障相。再逐一分析故障相各波形變化。故障前A相ILSC（輸入IGBT的電流）、IMSC（勵磁電流）和Istater（并網(wǎng)電流）均處于正常狀態(tài);在故障時刻Istater（并網(wǎng)電流）突然為零，而ILSC和IMSC波形發(fā)生了畸變，說明并網(wǎng)回路在此刻斷開。現(xiàn)場查看發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)開關(guān)（Q10）并未動作，而故障時電網(wǎng)也無故障。各開關(guān)的動作順序：首先動作了Gen.CB，即并網(wǎng)開關(guān)（Q10）或并網(wǎng)主接觸器（K1）。從現(xiàn)場處理情況看，因先后更換了欠壓線圈和微控制器Micrologic，且故障中Q10未動作，可排除并網(wǎng)開關(guān)損壞的可能。判斷造成故障的原因為并網(wǎng)主接觸器K1損壞。機組報出變流器系統(tǒng)故障（M10），復位后機組可正常運行，但在高負荷時報出同樣故障。判斷并網(wǎng)主接觸K1可能在高電壓沖擊下發(fā)生接觸不良的情況，因而在高負荷時出現(xiàn)異常斷開現(xiàn)象。

2.2故障處理

更換主接觸器后故障排除

結(jié)語

變流器作為風力發(fā)電機組的核心部件，且多為純進口型，故障處理效率直接影響到發(fā)電效率。通常，運維人員在故障處理時多憑借經(jīng)驗，通過更換相關(guān)元器件的方式來查找和排除故障，這種方法效率較低。而采用波形分析方法排查故障點，首先要熟知雙饋異步風力發(fā)電機組的運行原理，其次要對變流器工作原理和并網(wǎng)時各元器件動作過程熟練掌握。在此基礎上，充分利用變流器自帶的故障錄波功能，對記錄的故障波形進行分析，快速查找出故障點，恢復機組運行，故障處理效率則大為提高。

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