基于虛擬示波器的風電變流器故障案例分析

文|楊井潤，何志強，許雄偉，丁松，譚啟明

變流器作為風電機組的核心部件之一，保障其性能穩定至關重要。如果變流器出現故障，傳統的故障處置方法是通過運維人員多次登機排查來確認故障源并進行處置。這種處理思路會造成故障處置時間長、風電機組停機時間長，多次登機排查還會影響運維人員的身體健康。因此，在現場運維中亟需找到一種科學有效的方法以提升風電機組故障源確認速度、減少故障處置時間和風電機組停機時間，并降低運維人員登機排查次數。

應用虛擬示波器軟件技術對從風電機組變流器下載的大量數據進行詳細分析，提取有用信息進行綜合判斷，根據最終形成的診斷結論進行精準化故障處理即是一種經過實踐的有效方法。目前這一技術在風電行業變流器故障診斷應用中尚處于初期，在風電行業還未得到充分應用，風電場運維人員對此了解較少。

本文以內蒙古某風電場35#風電機組變流器過流故障為例，使用CSR-Drive虛擬示波器軟件的故障波形子模塊對風電場典型故障進行數據分析，根據故障日志查找故障原因并進行故障處置。

CSR-Drive軟件簡介

CSR-Drive是一款集監控、司控操作和故障數據分析于一體的虛擬示波器分析軟件，分為系統設置、軟件管理、慢速數據波形、實時波形監視、司控臺和故障波形六個模塊。其利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用。本文中使用的虛擬示波器軟件具有高分辨率、高精度、事件可精確記錄和回看的特點，利用虛擬示波器軟件中的專有功能，風電場運維人員可以對故障數據進行全面分析，進而精準定位故障的根本原因，為風電機組變流器故障診斷提供強有力的理論指導與信息支持，大大縮減故障處理時間和成本，大大提升故障處理效果，產生明顯的技術和經濟效益。

變流器工作原理及參數

圖1 CSR-Drive軟件

表1 WT1650型機組雙饋變流器的主要電氣參數

位于內蒙古烏蘭察布市的某風電場，共安裝有75臺WT1650型的風力發電機組，機組的主要電氣參數如表1所示。風力發電機組的變流器電網電壓為690V，允許波動范圍為±10%。變流器的拓撲結構如圖2所示，采用的是ACDC-AC背靠背的結構。由圖2可以看出，變流器一端連接于電網，另一端連接于雙繞組發電機的轉子側，變流器的作用就是向發電機轉子提供變頻、變幅、變相位的勵磁電流，以實現風力發電機組在風速變化的情況下輸出頻率恒定、功率可控的電能，同時在電網需要無功功率時，可控制發電機定子向電網輸出一定容量的無功功率。

變流器故障分析

2016年5月，該風電場35#風力發電機組變流器發生故障。現場技術人員通過SCADA客戶端查看風力發電機組控制面板的信息發現，機組所報出的故障代碼1為536，描述為由功率變頻器發現的故障；故障代碼2為513，描述為由功率變頻器測試發現的脫網；同時查閱變流器菜單中子故障代碼為99，描述為電網故障；存儲故障代碼為171，描述為ADOCF2A（FPGA檢測到變流器B相AD采樣過流）。風電場技術人員使用專業軟件CSR-Drive進行分析來獲取最有價值的故障信息，具體步驟如圖3所示。

通過上述專用軟件CSR－Drive下載變流器故障數據，對故障時波形進行數據分析。

一、對變流器機側三相電流和Crowbar直流電壓進行分析

圖2 變流器系統拓撲結構

圖3 風電機組變流器故障分析方法流程圖

故障時的變流器機側電流波形如圖4所示，Crowbar直流電壓如圖5所示。綜合分析圖4、圖5可知，變流器機側三相電流前后共出現3次故障沖擊電流。第1次：機側B相電流在-906至-904ms出現了故障電流，其最高電流達到960A，由于機側B相電流值過大觸發了Crowbar單元；第2次：機側C相電流在-395至-382.5ms出現了故障電流，其最高電流達到1075A；機側A相電流在-395至-380ms出現了故障電流，其最高電流達到-1150A；第3次：機側B相電流在-329至-317ms出現了故障電流，其最高電流達到1150A；機側A相電流在-329至-317ms出現了故障電流，其最高電流達到-1050A。由于機側A、B相電流值過大觸發了Crowbar單元。變流器總體故障時間段為-906至-317ms，GSC徹底關斷時刻為-292ms。分析機側三相電流可知，變流器機側A、B、C三相均發生過電流故障，由此可以判定變流器機側模塊或者發電機轉子側回路（發電機轉子—發電機滑環—連接電纜）有故障。

二、對變流器網側三相電流進行分析

圖4 變流器故障時機側三相電流波形圖

圖5 變流器故障時Crowbar直流電壓波形圖

圖6 變流器故障時網側三相電流波形圖

故障時的變流器網側電流波形如圖6所示。分析圖6可知，變流器網側三相電流在故障期間總體故障時間為-907至-315ms。網側A相電流共發生過流10次，最大電流可達850A；網側B相電流共發生過流10次，最大電流可達-900A；網側C相電流共發生過流11次，最大電流可達900A；LSC徹底關斷時刻為-314ms。分析網側三相電流可知，變流器網側A、B、C三相均發生過電流故障，由此可以判定變流器網側模塊有故障。

三、對電網三相電流進行分析

故障時的電網三相電流波形如圖7所示。分析圖7可知入網電流的詳細信息，在變流器故障時間段-906至-676ms，電網A相電流共發生過流故障3次，最大電流可達5450A（已達電流測量上限）；電網B相電流共發生過流故障4次，最大電流可達5450A（已達電流測量上限）；電網C相電流共發生過流故障4次，最大電流可達5450A（已達電流測量上限）；塔基斷路器的斷開時刻為-676ms。由電網三相電流分析得知，電網A、B、C三相均發生過電流故障，斷路器及時切斷故障電流防止了故障的進一步擴大，由此可以判定發電機定子繞組或電網線路發生故障。塔基斷路器沒有出現拒動的現象，斷路器功能完好。

四、對變流器直流母線電壓進行分析

故障時的變流器直流母線電壓波形如圖8所示。由圖8可知，變流器直流電壓的故障總體時間段為-885至-164ms，故障時刻為1100V。其中在-884至-650ms時發生跌落，最低至772V，跌落原因為變流器網側平均電流大于變流器機側平均電流；在-650至-164ms時發生上漲，最高達1227V，上漲原因為變流器機側平均電流大于變流器網側平均電流。

五、對電網電壓進行分析

故障時的電網電壓波形如圖9所示。分析圖9可知，電網電壓在-906ms發生了嚴重沖擊，甚至跌落至零，電網電壓的波形發生紊亂，機組中的定子接觸器、網側接觸器斷開時刻為430ms，在塔基的輔變柜中斷路器的斷開時刻為-676ms。

六、對發電機轉速進行分析

故障時的發電機轉速波形如圖10所示。從圖10轉速趨勢可以看出，故障前轉速為1810rpm，在-640ms時刻開始上升到1870rpm，這是由于系統脫離了電網，電磁負載銳減，傳動鏈系統的能量稍有積聚，屬于正常超速。

圖7 變流器故障時電網三相總電流波形

圖8 變流器故障時直流電壓波形圖

圖9 變流器故障時電網電壓波形圖

圖10 變流器故障時發電機轉速波形圖

通過上述波形分析，在-906至-676ms間，由于發電機定子繞組損壞導致電網三相電流出現過流現象，受此影響，電網電壓嚴重跌落，變流器機側B相也出現了過電流故障，并觸發了Crowbar回路對轉子進行泄能，變流器直流母線電壓下降至772V，變流器網側三相電流發生了過電流故障。隨后，由于變流器機側、網側電壓在-500ms時數值跌落至正常范圍，主控對故障進行了自復位，變流器啟動。首先對直流母線進行了預充電，由于發電機定子繞組已經損壞，使得變流器機側、網側電壓電流值再次過流，其中變流器機側達到1000A以上，變流器網側達到900A，因變流器機側平均電流大于變流器網側平均電流，直流母線電壓抬升至1227V，此時再次觸發Crowbar回路對轉子進行泄能。因此可以判定該故障由發電機定子繞組絕緣損壞導致，可能會連帶導致Crowbar回路損壞。

變流器故障處置

通過系統分析，可確定35#機組所報出的變流器機側過流故障，主要是有兩個故障源，一個是發電機定子繞組絕緣損壞，另一個則是Crowbar回路異常。

駐現場的風電機組運維人員登機，使用絕緣電阻測試儀對發電機的定子轉子繞組的絕緣性進行了檢查。測得的發電機定子繞組的U相對地電阻為131kΩ，V相對地電阻為<<69.7kΩ，W相對地電阻為143kΩ；轉子繞組的K相對地電阻為32.3GΩ，L相對地電阻為21.4GΩ，M相對地電阻為28.1GΩ。檢查發電機定子側電纜，發現有兩相電纜存在破皮現象，同時能聞到一股焦糊味。由此可以判定，發電機定子繞組對地絕緣已經損壞，需要更換發電機。

現場運維人員完成發電機更換工作后，啟機過程中報出變流器故障，故障代碼1為536，描述為由功率變流器發現的故障；故障代碼2為513，是由功率變流器測試發現的脫網；變流器子故障為電網故障；變流器存儲故障為172（FPGA檢測到變流器C相AD采樣過流）。再次進行手動Crowbar測試，發現聲音異常，說明GSC確實過流。手動進行變流器靜態測試，GSC ON大約兩分鐘后報出故障，變流器存儲故障為8（網壓過壓）及170（FPGA檢測到變流器A相AD采樣過流），現場使用萬用表再次對發電機進行絕緣測試，測得轉子、定子對地為∞Ω，使用絕緣測試儀測量轉子、定子值分別為18.3GΩ、10.3GΩ，可以判定發電機絕緣正常。甩開Crowbar單元再次做Crowbar測試，無過流聲音，報故障代碼為525、536，對機組做變流器靜態測試，無過流聲音，報故障代碼為525、536，由以上信息可以判定過流故障點在Crowbar單元。使用絕緣電阻測試儀1000V檔測試二極管反向電阻未發現異常，而使用絕緣電阻測試儀2500V檔再次測試二極管反向電阻時，發現二極管第C組的電阻值存在異常，為766MΩ，而二極管第A組及B組的電阻值分別為2.89GΩ和4.33GΩ。更換Crowbar控制柜內的第C組二極管后，再次嘗試啟機，機組最終成功并網運行。

結論

總結此次35#機組所報出的變流器機側過流故障，可以發現主要是由兩個故障點引起，一個是發電機定子繞組絕緣損壞，另一個則是Crowbar控制柜內的第C組二極管損壞。在風電場中引起變流器故障的因素一般比較復雜而且隱蔽，現場運維人員僅憑常用的維護工具，往往難以在第一時間快速診斷故障點，而使用本文所述的虛擬示波器軟件技術，可以起到事半功倍的效果，能夠及時解決變流器故障引起的機組停機，確保風力發電機組及時恢復運行。