摘要：随着国内外风电事业的发展、风电设备的更迭，老旧的风电设备及设计原理已满足不了设备的长期稳定安全运行的需求，本文对一起1.5MW双馈风电机组变频器故障进行分析，说明故障的排查过程，分析发生故障的原因，阐述变频器改造的必要性，同时提出一种双馈机组变频器的改造方法，用已提高变频器运行的可靠性。
关键词：双馈机组；并网开关；主接触器；变频器改造
Case analysis of 1.5MW doubly fed generator inverter fault
（Ding Zi rui Shandong Branch of Guangxi Guiguan Electric Power Co.，Ltd）
Abstract：With the development of wind power industry at home and abroad and the change of wind power equipment，the old wind power equipment and design principles can not meet the long-term stable and safe operation requirements of equipment. This paper analyses a 1.5MW doubly fed wind turbine converter fault，explains the process of troubleshooting，analyses the causes of the fault，and expounds the frequency conversion. At the same time，a transformation method of frequency converter for Doubly-fed units is proposed，which improves the reliability of frequency converter operation.
Key words：doubly fed induction generator；grid connected switch；main contactor；inverter modification
引言
某风电场风电机组为1.5MW双馈机组，所用变频器为艾默生生产的WF1000-06A0150变频器。变频器主要由并网柜、控制柜及功率柜组成，网侧供电通过网侧模块内IGBT将交流电整流为直流，经过直流母排，再通过转子侧模块IGBT将直流电逆变成交流电给发电机励磁，当机组超同步运行后，发电机定转子均发电，将发的电经转子侧模块整流，经过直流母排再经过网侧模块逆变成交流电送出。变频器运行过程中，功率柜一旦发生故障，如不能及时与电网切除，将会使变频器造成较大损坏，严重时危及整个风电机组的设备安全。本文根据一起变频器故障案例，分析变频器功率柜起火烧坏的原因，重点探究变频器结构的优化，并从变频器的改造及日常定期维护提出防范措施，保障变频器的可靠运行。
1 故障描述
2017年10月某风电场变频器功率柜起火，现场检查发现变频器功率柜网侧模块、低电压穿越组件损坏严重，母线熔断器损坏，功率柜内对直流母线充电的主接触器KM1发生粘连，机组停机后仍未分开。其他软起接触器、电容接触器动作正常，已分开。变频器控制柜损坏严重，控制板已损坏，无法连接读取数据。并网柜前端各开关无损坏，并网开关已断开，Q1开关内的保险FU1\FU2\FU3熔断，控制柜内除并网主开关Q11，配电变压器开关Q86断开外，其他开关均处于接通状态，柜内690V/400V的变压器损坏。并网接触器柜内并网接触器正常动作，停机后已断开，柜体内设备未受到损坏。
检查升压站主控室内机组故障回放（见附表1），机组在17时38分29秒时，报“变频器错误、变频器脱网、暂态电网错误”故障停机，当时风速为4.4m/s，机组线电压由AB：682.4V，BC：681.8V，BC：681.5V变到AB：550.8V，BC：547.0V，BC：540.1V，三相相电流由A相：74A、B相：81.8A、C相：72.8A变到A相：2659.4A、B相：2934.6A、C相：2664.4A，（见附表）电压突降，电流升高40倍。由故障回放及现场变频器起火点及功率柜内设备KM1接触器动作情况及变频器原理图（见下图）分析，变频器在并网后，网侧模块内部发生三相短路导致三相相电流值瞬间升高，线电压降低，较高的电流导致KM1充电主接触器发生粘连，机组故障停机后充电主接触器KM1未能及时断开，使变频器仍处于充电状态。
观看故障回放（见附表1），变频器在17时38分30秒时，机组报“相电压过高”，电压电流值发生变化机组线电压变为AB：634.0V，BC：637.8V，AC：558.9V，三相相电流变为A相：826.2A、B相：18.6A、C相：2387.2A，有功值为-619kw.结合现场充电主接触器及系统原理图分析，变频器在初期发生三相短路，短路瞬间高电流值导致KM1充电主接触器发生粘连，随后内部短路点B相断开，A、C仍处于短路状态，B相电流值变小，相电压升高，A、C相电流值仍较大，机组报“相电压过高”。
变频器在17时38分41秒时，机组三面桨角分别变为92.1°、92.5°、92.5°，机组三面桨角均压限位，机组完成停机。
变频器在17时38分42秒时，机组有功值为-474kw，但C相电流值为0A，由此分析，此时有两种情况，一种是C相短路点断开，第二种为Q11主开关的C相保险熔断，从后续C相电压值基本未变化，C相电流值接近为0判断为Q1主开关的C相保险熔断。
现场检查Q1主开关的三相保险FU1、FU2、FU3三个保险均熔断。
（表一 机组故障后电气量信息表）
2 原因分析
（1）结合现场设备损坏情况、开关动作情况、后台数据分析及变频器工作原理，分析变频器损坏原因为：变频器网侧模块内部短路，导致电流值增大，机组报“变频器错误、变频器脱网、暂态电网错误”故障停机，由于电流过大导致充电主接触器KM1的A、C相发生粘连，机组故障停机后，变频器未能及时的与箱变侧脱开（见变频器原理图），导致网侧模块持续充电。随着大电流的持续，最后使Q1主开关的FU1\FU2\FU3熔断器熔断，网侧电源与故障点（网侧模块）断开。网侧模块短路过程中导致并网柜内配电变压器T81损坏，使功率柜内Crowar模块损坏，控制柜各集成板损坏。由于网侧模块损坏严重，无法检查内部起始损坏部位。此次故障最大短路电流为2934A，未达到箱变低压侧开关动作定值（箱变低压侧定值为L：4800A时，反时限时间定值144S开关断开，I：6400A时瞬断，箱变额定电流in=1600A，），故箱变低压侧开关未跳开。
（2）对于网侧模块内部短路的原因分析：网侧模块内部绝缘损坏，机组上电发电后内部绝缘损坏，导致网侧模块内部短路；2）此台变频器在5月12日因转子侧模块损坏停机，故障排查时，连接后台软件变频器报“转子侧驱动板未连接好，转子侧VCE过流”，由于网侧未报故障信息未更换网测模块，但机组故障时，网侧模块可能已出现缺陷，当10月20日新的转子侧模块到场安装后，对网侧模块上电，机组发电后网侧模块发生内部短路。
3 改进及防控措施
（1）改进方案
查看变频器原理图（下图一），变频器网侧模块与箱变低压侧之间靠Q1主开关与KM1充电主接触器连接，Q1为手合式带保险的开关，紧急故障后靠熔断保险断开主回路，KM1接触器一旦发生粘连，当故障电流值达不到箱变低压侧的分断电流时，（箱变低压侧定值为L：4800A时，反时限时间定值144S开关断开，I：6400A时瞬断，箱变额定电流in=1600A）就要靠熔断Q1的熔断器进行断电，此种设计可靠性偏低，需要对此种结构进行改进或优化。
通过对变频器结构和原理的研究，提出改造方案：通过改造将Q1手板式开关改接到并网开关Q11下侧；
当机组满负荷运行时，机组电流值I=P额定/=√3UcosΦ=1500000/690*0.85=1477A，并网开关的额定电流为1600A，保护定值为：长延时值1600A\36S，短延时值2560A\650ms，瞬动值6400A。故将并网开关Q11移到主开关Q1的上端，原并网开关的容量仍能满足运行要求。又查看机组出线侧升压变压器低压侧690V断路器与并网开关Q11额定电流一样为1600A，满足运行要求。综上，并网开关移至主开关Q1上端完全可满足运行要求。改进后效果原理图如下图。
查看原变频器后端发电机定子接线铜排、箱变进来的网侧接线铜排及Q1的铜排的实际接线情况。Q1接线铜排从网侧进线铜排取电，在并网开关上端，用螺栓连接固定，发电机定子侧接线铜排在并网下端，在定子接线铜排、网侧接线铜排上装有套管CT及电压采集接线。改进方法：通过调换发电机定子与网侧进行连接线，及各铜排上的CT及电压采集接线，同时调整变频器的内部控制程序，最终满足将主开关Q1转移到并网开关Q11下端，通过并网开关保护定值及Q1主开关内保险熔丝来双重保护变频器侧设备原件，当KM1充电主接触器发生黏连后，即使Q1主开关熔丝不能可靠或马上熔断，也可通过Q11并网开关的保护定值快速将故障设备切除隔离。
（图四） 改进后原理图
（2）防控措施
定期检查变频器内Q1主开关内保险，检查并网主接触器KM10、充电主接触器KM1、软启接触器KM2及充电接触器KM3的动作情况及触头接触情况，定期紧固各连接端子，对变频器进行定期的除灰除尘。
4 结语
随着新的风电机组技术的发展，机组运行年限的增加，老的变频器设备由于最初的设备理念及缺陷，极容易发生较大的事故，给电力生产造成较大的损失，同时也危机系统及人员的安全。通过对此起故障的分析及改进，对变频器的结构进行优化，可大大降低设备故障率、提高设备可靠性。
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论文作者:丁子瑞
论文发表刊物:《防护工程》2018年第31期
论文发表时间:2019/1/16
标签：变频器论文; 接触器论文; 机组论文; 故障论文; 模块论文; 柜内论文; 发生论文; 《防护工程》2018年第31期论文;