D風電場#24風機變流器功率模塊燒損原因分析

顏庭煜 張馭駒 魯碧桐 吳曉龍

(國電東北新能源發(fā)展有限公司，123200)

2019年,全球風電新增裝機容量達到60.4GW，風電是現(xiàn)階段最具開發(fā)潛力得到可再生能源之一.[1]風電機組是在波動風場環(huán)境中,實現(xiàn)風能捕獲、傳遞和轉換的復雜機電液一體化裝備,其運行工況復雜多變,面臨高溫、高海拔、強沙塵、臺風等多種極端惡劣環(huán)境條件,涉及多學科交叉領域,技術難度極大.[2]風電機組變流器(變頻器)作為風力發(fā)電機組將所發(fā)電能并入電網(wǎng)的核心系統(tǒng)，其可靠性、安全性直接決定了風電機組的安全性和穩(wěn)定性.隨著早期大面積開發(fā)的風電項目逐步進入故障高發(fā)期，而外環(huán)境對風電場、風電機組運行的經(jīng)濟性和可靠性往往還維持比較高的標準，而機組的設備可利用率直接決定上述指標.在機組運行年限逐漸增加的情況下，對某種機型，或者說對于某風場的某種特定機型的批量性故障、易發(fā)性故障、重復性故障和重大故障等進行分析與研究，以期查明真實故障點和故障原因，同時為后續(xù)減少重復性故障，避免重大故障等提供理論和事實依據(jù).

D風電場總裝機容量49.5MW，安裝單機容量1.5MW的三葉片、上風向、永磁直驅、變速變槳風力發(fā)電機組33臺，#24風機變頻器采用Freqcon1.5MW(B)型全功率變流器，主控系統(tǒng)采用倍?；赑C的控制系統(tǒng).

1 故障現(xiàn)象描述

某日上午09時09分，風機SCADA系統(tǒng)報警，提示D風電場#24風機報出變流器直流電壓低故障；09時32分，風機SCADA系統(tǒng)再次報警，提示D風電場#24風機報出變流器直流電壓低故障；5分鐘后，SCADA系統(tǒng)顯示D風電場#24風機機組通訊丟失.由于雷雨及大風天氣，無法到達機位處理故障，待天氣正常后，檢修人員到達#24風機，檢查發(fā)現(xiàn)變流器柜體及內部大面積燒損.

2 現(xiàn)場檢查情況

現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)變流器頂部冷卻風扇熏黑，塔基平臺至塔筒第一次平臺間部分熏黑，檢查塔上至塔下動力電纜、信號電纜等外觀均無損傷，檢查發(fā)現(xiàn)5個柜體均有不同程度的燒毀、熏黑的情況.

檢查發(fā)現(xiàn)變流器IGBT1柜和IGBT2柜從下至上均大面積燒損但燒損嚴重程度不同.如圖1控制柜上部電氣運檢燒損情況，控制柜上部PLC部分、電源模塊、接觸器和繼電器等電氣部件燒損嚴重，柜子上部已經(jīng)熏黑.

測量制動電阻無阻值，電容柜上部接觸器、線槽等燒損，低壓配電柜上部輕微燒損，其余電容、刀熔開關等未見異常，如圖2電容柜上部燒損情況.

檢查開關動作情況發(fā)現(xiàn)變流器網(wǎng)側斷路器未斷開，發(fā)電機側斷路器正常斷開，檢查箱變低壓側斷路器為跳閘狀態(tài).

圖1 控制柜上部電氣運檢燒損情況 圖2 電容柜上部燒損情況

3 故障文件分析

根據(jù)機組報出故障的先后順序，檢查機組主控主控PLC生成了1個故障F文件和2個故障B文件.分別為“f***_0909_450.html”和B文件“b***_0909_450.txt，b***_0932_450.txt”.

圖3 機組故障F文件變流器信號

如圖3機組故障F文件變流器信號部分.可知，機組故障時刻變流器信號，檢查發(fā)現(xiàn)機組erro_converter_signal_DC_link_min信號為on(觸發(fā))狀態(tài)，表示故障時刻觸發(fā)故障為變流器直流電壓低，與機組SCADA系統(tǒng)顯示的故障一致.

根據(jù)機組制造商給出的變流器直流電壓低故障觸發(fā)邏輯，該故障停機等級為7，觸發(fā)變流器故障緊急停機，變槳系統(tǒng)回槳速度為6°/s，變流器調制和斷路器同時斷開.

圖4 故障文件變頻器部分模擬量信號

如圖4故障文件變頻器部分模擬量信號.可以看出故障時刻除4號IGBT為29.7℃外，其余9個IGBT溫度均在40℃附近，但converter_DC_inductor_temperature顯示溫度為71℃.檢查變流器冷卻系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)IGNT冷卻風扇1、2和塔基冷卻風扇轉速設定均為68%，電容冷卻風扇轉速設定為74.67%，判斷故障時刻變流器冷卻系統(tǒng)工作正常.

如圖5機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)功率、電壓曲線圖、圖6機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)轉速、變流器狀態(tài)信號圖、圖7機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)停機無功、變流器狀態(tài)信號圖，分析可知：

顯示故障時刻前,直流母線電壓未出現(xiàn)電壓波動等異常情況，電壓始終穩(wěn)定在1106VDC附近，而制動電阻啟動電壓值1220V，未達到觸發(fā)值.數(shù)據(jù)上看，網(wǎng)側電壓穩(wěn)定.而在故障時刻直流母線電壓對稱瞬降至780VDC(粉紅色線).

IGBT4內部失效，造成正負母線間有輕微短路放電致母線電壓瞬降，放電引起制動模塊反并聯(lián)二極管短時失效，投入制動電阻過流，Converter Chopper I電流值瞬間增大到750A曲線降低(藍色線)，導致制動電阻損壞失效.

檢查數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障后20s轉速降到0時，系統(tǒng)測量記錄仍有400kW的有功功率，判斷為假值.此時profi_in_converter_IGBT_ok信號一直為1，無功功率維持在-90Kvar,故障后無功功率增加，說明故障后網(wǎng)側始終在調制，網(wǎng)側IGBT單元無故障.

圖5 機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)功率、電壓曲線圖

圖6 機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)轉速、變流器狀態(tài)信號圖

圖7 機組故障B文件1(b***_0909_450.txt)停機無功、變流器狀態(tài)信號圖

如圖8機組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器側曲線圖、圖9機組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器信號圖.

圖8 機組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器側曲線圖

圖9 機組故障B文件2(b***_0932_450.txt)變流器信號圖

分析可知，此次觸發(fā)為第二次觸發(fā)b文件，機組已經(jīng)處于停機狀態(tài).直流母線電壓為+436V和-419V.母線電壓偏低、不對稱但未發(fā)生波動，判斷此時母線還未發(fā)生短路故障，機組始終觸發(fā)直流電壓低故障.同時，變流器未觸發(fā)使能和調制信號.

但變流器網(wǎng)側斷路器始終為合閘狀態(tài)，機組有功功率始終維持在-120kW左右，判斷機組始終在從電網(wǎng)吸收電能，結合機組整流電壓為0，直流電流給定為0.說明機側始終未工作，判斷機側正常，可以初步判斷故障點在網(wǎng)側或母線側.

直流母線電壓存在不對稱偏低，可能原因是母排電容小范圍失效導致母線電壓不平衡.故障時刻，母線電壓存在瞬間降低，可以判斷母線存在非正常放電，可能原因是由于母線短路.

4 過程分析

母排電容小范圍失效，進一步導致母線不平衡.故障時刻，母線正對負短路放電，加之變流器網(wǎng)側斷路器未正常跳閘，網(wǎng)側始終與電網(wǎng)相連，進一步導致IGBT4反并聯(lián)二極管失效，電網(wǎng)能量集中到IGBT，加劇IGBT電容大面積失效，進而導致IGBT本體失效.

因故障時刻母線正對負短路，結合制動電阻動作情況，可以判斷制動電阻正常工作，但由于反向擊穿電流導致制動模塊被動失效，加之網(wǎng)側斷路器仍為合閘狀態(tài)，導致故障現(xiàn)象進一步加劇，由于雷雨天氣檢修人員未能及時到達機位，導致故障現(xiàn)象進一步擴大，最終導致柜體燒損.

5 結 論

變流器系統(tǒng)作為直驅型風力發(fā)電機組最主要的系統(tǒng)之一，直驅型機組功率變流器系統(tǒng)是故障率最高的子系統(tǒng).[3]其運行可靠性直接關系機組安全性.機組運行環(huán)境較為惡劣，且隨著機組運行年限的增加，變流器功率模塊、控制器等電力電子元器件均存在由于高低溫運行、積灰等原因導致失效的可能，斷路器機械結構等存在由于機械設備維護保養(yǎng)不到位導致斷路器卡澀甚至卡死，斷路器分合閘線圈、儲能電機等也存在失效導致斷路器不能正常工作的風險.

在對風電機組日常檢修維護中，要以年度或季度為單位對變流器功率模塊、電容、二極管單元、控制器等進行專項維護，主要完成電力電子元件電氣性能檢測，積灰清理等，對發(fā)現(xiàn)異常的設備及時進行更換，同時對斷路器進行專項維護，確保斷路器分合閘、保護功能等正常且滿足機組運行要求.通過對變流器系統(tǒng)進行常規(guī)和專項維護，以期延長設備使用壽命，提高變流器系統(tǒng)運行的可靠性和安全性，避免重大事故的發(fā)生.同時通過自動消防、火災報警、視頻監(jiān)控等技術手段有效降低事故擴大的可能性，提升風電機組運行的經(jīng)濟性.