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摘要：风能被称为清洁的绿色能源，随着许多研究工作的进行，越来越多的高效风电机的开发， 使世界上大多数国家都能获得这种清洁能源。此外，它的可靠性也非常重要，无论它是否将在规定时间段内遇到的给定条件下有效地执行其功能。从以前的文献中可以看出，大多数情况下，各种故障发生在叶片/变桨机构、变速箱系统、发电机、动力变流器、偏航系统、液压系统。目前，大型风力发电机的发电功率约为 6MW，用于近海和海上风力发电场。发电机组和电力变流器，在风力发电的整体可用性中起着非常重要的作用，因为如果电力变流器发生任何故障，它可能会关闭整个风力发电，因此这些电力变流器的可靠性在整个风电机组的停机中是非常重要的问题。
关键词：风力发电机组；变流器；故障分析；RBD 模型
引言
根据风电机组的大气条件和额定容量，风电机变流器可采用两级开关变流器、三级开关变流器和多级开关变流器等不同的拓扑结构。对于变速风力发电机， 传统的变流器没有得到优化，因为在较低风速下，由于产生的电压降低或共振变流器中的某些循环电流降低，它们的效率很低。在低速时产生的电压较小，因此变流器的效率也会降低， 但借助不同的开关技术，即使在低电压时也可以提高变流器的效率，并保持高输出电压。
1电力变流器的拓扑结构
二级变流器的成本低于三级变流器，但二级变流器的功率损失更大，这也是大型风力发电机组采用三级变流器或多级变流器的原因。在本文所涉及到的变流器有以下三种类型：
（1）二极管钳位型变流器：它只需要一条直流母线，电压水平由许多串联电容器产生。
（2）飞电容变流器：由于每根直流母线都有隔离的直流电源，其结构变得复杂。
（3）级联变流器：由于每个直流母线都有隔离的直流电源，其结构变得复杂。
两电平变流器的输出电压波形由两个电压电平的脉宽调制产生。由于这种电压和电流波形会发生畸变，得到的 THD 很差。但在三电平变流器中，输出波形更为正弦，得到的 THD 比二电平变流器的好。因此，借助于不同的开关水平，可以在低故障率和高可靠性的情况下实现最大的生产率。根据风电机的运行速度，可分为定速、限速和变速。变速风力发电机可以进一步分类为部分规模和全规模电力电子变流器系统。风力发电机也可分为齿轮传动或间接传动和无齿轮传动或直接传动风力发电机。在定速风力发电系统中，感应发电机与电网直接相连，可用于风速不确定的情况，称为系统 A。
同样，带全额定变流器即带鼠笼式感应发电机（SCIG）的变速风力发电机，还有部分额定变流器即带双馈感应发电机（DFIG）的变速风力发电机，这两种配置（分别称为系统 B 和系统 C）。
2风电机组件故障分析
风力发电机主要由叶片、变桨机构、偏航机构、齿轮机构、传感器、电气组件、功率变流器和发电机组成[2]。风电机的平均寿命约为 20 年，在变速风电机中，大多数故障发生在电力电子变流器、发电机和齿轮机构中，导致风力发电机组故障。风力发电机组部件的平均故障率数据表明控制系统的故障率最高，其次是叶片/桨距，为了提高风力发电机组的可靠性，控制系统、电气系统、桨距等的可靠性应
得到提高。
3电子组件的RBD 建模
感应发电机和功率变流器的 RBD 如图 2 所示。发电机由定子、转子和电刷装置组成。在电力变流器中包括转子侧变流器（RSC）、直流链路、电网侧变流器（GSC）和控制单元（CU）[3]。
对于一般的 N 组分串联系统，系统可靠度的部件可靠性和部件故障率的表达式在（1）、（2）和（3）中给出。在等式 1、2和3中，R和是部件的可靠性和故障率。
计算三个部件修复率的表达式如（5）所示，其中12 是前两个部件的修复率，是前两个部件和第三个部件的组合修复率，因此三个部件的整体修复率由（5）给出。
本文讨论了 SCIG 和DFIG 风力发电机组功率变流器 RBD 的三种配置:案例 1、案例 2 和案例 3。在所有这些情况下，功率变流器 RBD 建模都不考虑控制单元，因为其故障率非常低。案例 1：电源变流器的基本 RBD，功率变流器的所有部件，即 RSC、直流链路和 GSC， 在逻辑上或功能上是串联的。案例 2：冗余变流器（单元冗余）与现有变流器平行放置。案例3：介绍了 RSC 和 GSC 的组件冗余，也可以使直流链路冗余，但与 RSC 和GSC 的故障率相比，它的故障率非常低，可以避免。
结论
认识到功率变流器的故障是风电机可靠性降低的主要原因之一，对风电机的整体生产率产生了不利影响。多电平开关变流器由于维护要求的降低，在近海和海上风力发电机组中得到了广泛的应用，因此非常适用于艰苦和偏远的地区。针对现有和提出的电力变流器配置， 计算了不同的可靠性相关参数，如故障率、修复率、可靠性和可用性。在鼠笼式感应发电机（SCIG）和双馈风力发电机（DFIG）的情况下，功率变流器的案例 2 配置提高了 24%的可靠性。同样，对于鼠笼式感应发电机（SCIG）和双馈风力发电机（DFIG），功率变流器的案例 3 配置提高了 33%的可靠性。基于 DFIG 的案例 3 配置风力发电机以最佳成本提供最高的可靠性、可用性。可以总结出，案例 3 配置是首选的，并应用于基于 SCIG 和 DFIG 的风力发电机。
参考文献
[1] 陈雄伟.基于级联型多电平变流器的有源滤波装置研究[D]. 华北电力大学（河北），2006.
[2] 惠德畅.基于主被动技术融合的风电机叶片结构健康监测技术研究[D].导师：王强.南京邮电大学,2016.
[3] 姜韬韬.地区电网接纳海上风电能力研究[D].导师：武小梅.广东工业大学,2015.
论文作者:李占春
论文发表刊物:《中国电业》2019年第9期
论文发表时间:2019/9/20
标签：变流器论文; 风电论文; 故障率论文; 可靠性论文; 发电机论文; 部件论文; 功率论文; 《中国电业》2019年第9期论文;