基于虛擬示波器的雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器故障診斷技術(shù)

朱桂華，丁 松,*，楊井潤(rùn)

（1．中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083；2.中車株洲電力機(jī)車研究所有限公司風(fēng)電事業(yè)部，株洲 412000）

0 引言

雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly fed Induction Generator，DFIG)是目前應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，其由定子繞組直連定頻三相電網(wǎng)的繞線型異步發(fā)電機(jī)和安裝在轉(zhuǎn)子繞組上的雙向背靠背IGBT電壓源變流器組成[1]。發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子在一定條件下均可向電網(wǎng)饋送能量。變流器的網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)一般都設(shè)有濾波單元；變流器的機(jī)側(cè)即發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)，此處設(shè)有Crowbar單元；變流器直流母線上設(shè)有預(yù)充電單元。雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電氣一次設(shè)備原理圖如圖1所示。

圖1 雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的電氣一次設(shè)備原理圖Fig.1 Primary electrical schematic of DFIG

目前，DFIG的變流器一般采用雙脈沖寬度調(diào)制(PWM)變流器，其電氣原理圖如圖2所示。變流器的網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)均有6個(gè)“IGBT +二極管”單元在適當(dāng)?shù)挠|發(fā)信號(hào)下，變流器可實(shí)現(xiàn)整流和變頻逆變的功能。該變流器還可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)處于亞同步速工作狀態(tài)時(shí)，功率由電網(wǎng)流向DFIG轉(zhuǎn)子；當(dāng)系統(tǒng)處于超同步速工作狀態(tài)時(shí)，功率由DFIG轉(zhuǎn)子流向電網(wǎng)。

圖2 雙PWM變流器的電氣原理圖Fig.2 Electrical schematic of dual PWM converter

由于變流器具有較強(qiáng)的電氣監(jiān)測(cè)和控制能力，因此發(fā)電機(jī)的電氣一次設(shè)備及線路發(fā)生故障時(shí)一般由變流器報(bào)出，這一類故障則被稱為變流器故障。該類故障的處理方式有難易之分，遇到較難處理的故障，很難僅憑查看外觀或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)查找到故障根源，此時(shí)需借助各種儀器或設(shè)備的幫助，而示波器則是電氣故障診斷的有力工具。本文對(duì)風(fēng)電變流器故障，即DFIG的電氣一次設(shè)備及線路故障的診斷技術(shù)進(jìn)行了實(shí)證分析。

1 可用于風(fēng)電變流器故障診斷的虛擬示波器技術(shù)簡(jiǎn)介

示波器是一種用途廣泛的電子測(cè)量?jī)x器，其可將肉眼看不見(jiàn)的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為看得見(jiàn)的圖像，便于人們研究各種電現(xiàn)象的變化過(guò)程。利用示波器能觀察各種不同信號(hào)幅度隨時(shí)間變化的波形曲線，還可以用其測(cè)試各種不同的電量性能參數(shù)，如電壓、電流、頻率、相位差、調(diào)幅度等。

虛擬示波器具有和示波器一樣的功能，是通過(guò)將高性能的模塊化硬件結(jié)合高效靈活的軟件來(lái)完成示波器可以完成的各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。比如，筆記本電腦可以代替示波器的數(shù)據(jù)處理、圖像處理和顯示等功能，實(shí)現(xiàn)示波器大部分功能的虛擬化。但信號(hào)的采集、處理仍必須由專業(yè)的硬件來(lái)完成。

由某品牌的DFIG變流器與1臺(tái)筆記本電腦組成了完整的虛擬示波器，其配置包括：

1)硬件：包含測(cè)量元器件、變流器接口電路、變流器控制器(DSP、FPGA等)、網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)。變流器接口電路及控制器如圖3所示。

圖3 變流器接口電路及控制器Fig.3 Converter interface circuit and controller

2)軟件：包含變流器控制軟件、變流器配套服務(wù)軟件(CSR-Drive )，如圖4所示。

圖4 CSR-Drive界面Fig.4 CSR-Drive interface

虛擬示波器可實(shí)現(xiàn)：1)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看功能：包含實(shí)時(shí)波形、數(shù)據(jù)監(jiān)視、實(shí)時(shí)故障監(jiān)視。2)歷史數(shù)據(jù)查看功能：包含故障波形、故障日志文件下載。

2 示波器可以完成的基于虛擬示波器的風(fēng)電變流器故障診斷實(shí)例

下文以基于虛擬示波器的風(fēng)電變流器故障診斷的案例進(jìn)行說(shuō)明。

2.1 故障波形的波形分析及故障診斷

2.1.1 問(wèn)題描述

2017年3月，某風(fēng)力發(fā)電機(jī)頻繁報(bào)變流器故障，故障信息顯示為“513：由功率變頻器測(cè)試發(fā)現(xiàn)的脫網(wǎng)；536：由功率變頻器發(fā)現(xiàn)的故障；673：保留；8：HLF(網(wǎng)壓過(guò)壓)；136：HLF(網(wǎng)壓過(guò)壓2)；267：網(wǎng)壓不對(duì)稱”。

當(dāng)該風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間，功率上升至400 kW以上時(shí)，箱式變電站內(nèi)的690 V斷路器就跳閘，報(bào)故障信息為“接地故障700 A”(箱變及輔變柜設(shè)定值均為400 A)，跳閘瞬間網(wǎng)側(cè)電壓上升至750 V；而塔基輔變柜內(nèi)690 V斷路器未報(bào)“故障跳閘”，是因?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電機(jī)監(jiān)測(cè)到電網(wǎng)掉電主動(dòng)分閘。經(jīng)檢查，箱變到風(fēng)力發(fā)電機(jī)的線路絕緣良好，塔筒電纜絕緣良好；發(fā)電機(jī)絕緣良好、繞組平衡良好，網(wǎng)側(cè)濾波單元正常。憑借一般的儀器和技術(shù)很難查出該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障原因。

2.1.2 過(guò)程分析

通過(guò)查看變流器的故障日志和波形文件“1636”～“1717”發(fā)現(xiàn)，波形“1646”具有較大的分析價(jià)值，其自動(dòng)解析出的故障為“ A相過(guò)流故障”。

圖5為變流器故障波形“1646”的直流母線電壓情況。由圖可知，在-520 ms(該時(shí)間為故障觸發(fā)時(shí)刻的相對(duì)時(shí)刻，所以為負(fù)值。下文同理)時(shí)，直流母線電壓由1070 V升至1130 V。上漲原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相斷開(kāi)，能量向電網(wǎng)輸送速率下降。

圖5 變流器故障波形“1646”的直流母線電壓情況Fig.5 DC bus voltage display of converter fault waveform“1646”

圖6為變流器故障波形“1646”的網(wǎng)側(cè)變流器IGBT三相電流情況。由圖可知，在-532 ms時(shí)網(wǎng)側(cè)變流器IGBT電流受到擾動(dòng)，擾動(dòng)原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相斷開(kāi)。在-280 ms時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器IGBT三相電流均關(guān)斷。

圖6 變流器故障波形“1646”的網(wǎng)側(cè)變流器IGBT三相電流情況Fig.6 Three phase current of IGBT display on grid side converter of converter fault waveform“1646”

圖7為變流器故障波形“1646”的三相入網(wǎng)電流情況。由圖可知，A相和B相都是在-457 ms時(shí)斷開(kāi)，而C相是在-525 ms時(shí)斷開(kāi)。

圖7 變流器故障波形“1646”的三相入網(wǎng)電流情況Fig.7 Display of three-phase incoming current of converter fault waveform“1646”

圖8為變流器故障波形“1646”的電網(wǎng)線電壓情況。由圖可知，電壓在-525 ms時(shí)受到一次擾動(dòng)，原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相斷開(kāi)；在-457 ms時(shí)又受到一次擾動(dòng)，原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)A、B相斷開(kāi)；在445 ms時(shí)交流電壓波動(dòng)截止，原因?yàn)槎ㄗ咏佑|器斷開(kāi)、網(wǎng)側(cè)接觸器斷開(kāi)。

圖8 變流器故障波形“1646”的電網(wǎng)線電壓情況Fig.8 Grid line voltage display of converter fault waveform “1646”

圖9為變流器故障波形“1646”的Crowbar直流電壓情況。由圖可知，在-480 ms時(shí)，Crowbar直流電壓開(kāi)始銳減，從1125 V最終降至0 V，原因?yàn)镃rowbar觸發(fā)。

圖9 變流器故障波形“1646”的Crowbar直流電壓情況Fig.9 Crowbar DC voltage display of converter fault waveform “1646”

圖10為變流器故障波形“1646”的機(jī)側(cè)變流器(GSC)IGBT三相電流情況。由圖可知，在-525 ms時(shí)，GSC IGBT三相電流發(fā)生擾動(dòng)，原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相斷開(kāi)；在-478 ms時(shí)，GSC IGBT三相電流波動(dòng)截止，這說(shuō)明此時(shí)GSC IGBT三相關(guān)斷。

圖10 變流器故障波形“1646”的GSC IGBT三相電流情況Fig.10 Three phase current of IGBT display of GSC of converter fault waveform “1646”

圖11為變流器故障波形“1646”的定子繞組電壓情況。由圖可知，從約-520 ms開(kāi)始，定子繞組交流電壓最大幅值由1000 V(有效值約為577 V)升至1400 V(有效值約為808 V)，之后又下降。上漲原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相斷開(kāi)，能量向電網(wǎng)輸送速率下降。

圖11 變流器故障波形“1646”的定子繞組電壓情況Fig.11 Stator winding voltage display of converter fault waveform “1646”

圖12為變流器故障波形“1646”的定子繞組電壓與電網(wǎng)電壓情況。由圖可知，在445 ms時(shí)，定子接觸器斷開(kāi)，這是因?yàn)槎ㄗ永@組的電壓幅值、頻率、相位與電網(wǎng)電壓的均不再保持同步。

圖12 變流器故障波形“1646”的定子繞組電壓與電網(wǎng)電壓情況Fig.12 Stator winding voltage and grid voltage of converter fault waveform“1646”

圖13為變流器故障波形“1646”的Crowbar電阻電壓情況。由圖可知，在-480 ms時(shí)，Crowbar觸發(fā)。

圖13 變流器故障波形“1646”的Crowbar電阻電壓情況Fig.13 Crowbar resistance voltage display of converter fault waveform “1646”

圖14為變流器故障波形“1646”的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速情況。由圖可知，從-410 ms開(kāi)始，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由1800 rpm升到100 ms時(shí)的1870 rpm。上漲原因?yàn)橄到y(tǒng)徹底脫離電網(wǎng)，電磁負(fù)載丟失，傳動(dòng)系能量發(fā)生積聚。此外，由圖還可以看出，故障前后系統(tǒng)處于超同步狀態(tài)(因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速1500 rpm)，發(fā)電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子均在向電網(wǎng)輸出能量。

圖14 變流器故障波形“1646”的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速情況Fig.14 Generator speed display of converter fault waveform “1646”

2.1.3 故障原因分析結(jié)論

根據(jù)以上分析，可以排列出各個(gè)設(shè)備的動(dòng)作順序?yàn)椋?)-525 ms時(shí)，塔基斷路器(或箱變斷路器)C相斷開(kāi)；2)-520 ms時(shí)，直流母線電壓由1070 V上漲到1130 V；3)約-520 ms開(kāi)始，定子繞組交流電壓最大幅值由1000 V(有效值約為577 V)升至1400 V(有效值約為808 V)，而后又下降；4)-480 ms時(shí)，Crowbar觸發(fā)；5)-478 ms時(shí)，GSC IGBT三相電流波動(dòng)截止；6)-457 ms時(shí)，塔基斷路器(或箱變斷路器)A相、B相斷開(kāi)；7)從-410 ms開(kāi)始，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速由1800 rpm升至1870 rpm；8)-280 ms時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器IGBT三相電流均關(guān)斷；9)445 ms時(shí)，定子接觸器斷開(kāi)、網(wǎng)側(cè)接觸器斷開(kāi)。

綜上所述，變流器故障的原因?yàn)樗鶖嗦菲?或箱變斷路器)C相接觸不良，斷開(kāi)。建議仔細(xì)檢查塔基斷路器和箱變斷路器，最好進(jìn)行替換測(cè)試。

2.2 故障診斷結(jié)果的驗(yàn)證

此后風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)單位對(duì)箱變斷路器內(nèi)的控制器進(jìn)行了整體更換，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的故障被徹底消除，可正常運(yùn)行發(fā)電。由此可見(jiàn)，故障的來(lái)源為箱變斷路器的控制器，其引發(fā)了箱變斷路器C相接觸不良，斷開(kāi)。實(shí)勘結(jié)果與故障診斷結(jié)果相吻合。

以上案例說(shuō)明采用該故障診斷分析技術(shù)，可以節(jié)省很多盲目排查工作，節(jié)省了人力、物力成本，并可減少停機(jī)損失。

3 結(jié)論

本文以雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的變流器故障為例進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，用于風(fēng)電變流器故障診斷的虛擬示波器具有高分辨率、高精度、事件可精確記錄和回看的特點(diǎn)，可以對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行充分地分析和挖掘，得到有用的故障原因及故障演變信息，進(jìn)而精準(zhǔn)定位故障的原因，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)變流器故障處理提供了強(qiáng)有力的理論指導(dǎo)、信息支持，大幅縮減了故障處理時(shí)間和成本，提升了故障處理效果，產(chǎn)生了明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。

綜上，基于虛擬示波器的變流器故障診斷技術(shù)是處理風(fēng)電變流器類、風(fēng)電電氣一次設(shè)備及線路類故障的一項(xiàng)強(qiáng)有力的工具和法寶。