變流器并網開關替代改造可行性及故障跳閘問題的研究

劉蘊華

中核匯能有限公司 北京 117000

隨著風電行業在我國迅速發展，功率等級的提高，雙饋型變流器的裝機容量不斷增加，空氣式框架斷路器做為并網開關在早期的一代雙饋變流器上應用比較廣泛。但是在框架斷路器的廣泛應用中，發現其在一代變流器上的使用上存在一些的顯著的后期維護問題和隱患。變流器小風不斷脫并網和變流器故障會使得斷路器的分斷次數不斷增加，限制于斷路器的有效分閘次數，變流器的使用壽命會大大折扣。除此之外，早期各個廠家的一代變流器的crowbar模塊多為無源的，這樣在電網發生故障或者變流器運行中發生故障時，框架斷路器本身的合閘和分斷時間均相對較長，雖然在變流器過流時起到了一定的保護作用，但是暫態時間內的定子電流沖擊很大，對框架斷路器的相間絕緣有很大的影響，并且大電流情況下極易引起拉弧。因此在當前風機變流器并網要求越來越高的形式下，不具備競爭優勢和后期運維優勢。

1 接觸器替代分析

1.1 并網開關性能

使用接觸器替代框架斷路器作為變流器的并網開關，其合閘和分斷的能力直接關系到變流器的并網、脫網以及大電流故障脫網的性能優劣。因此對并網接觸器的合閘和分閘性能的研究是非常有必要的。針對這兩方面的研究，采集了以下幾個信號的數據作為分析依據：

（1）斷路器合閘24VDC信號。控制接觸器合閘的指令信號，采集24V電平，用于判斷變流器是否下發了斷路器合閘指令，以便于分析斷路器從合閘到反饋的時間，判斷斷路器的性能是否滿足使用要求。

（2）分閘指令信號24VDC。區別于接觸器分閘指令，該信號是控制并網開關分閘的指令信號，采集24V電平，用于判斷變流器控制系統是否下發了斷路器分閘指令，以便于分析斷路器的分斷性能。

（3）并網接觸器狀態反饋信號。該信號主要用于并網接觸器的狀態判斷，根據控制系統收到的電平高低判斷并網接觸器處在斷開還是閉合的狀態。

（4）并網接觸器線圈得電信號。該信號為230V交流信號，為并網接觸器線圈的吸合電源信號，采集該信號，判斷接觸器線圈得電時間。

（5）并網接觸器線圈失電信號。該信號為230V交流信號，為并網接觸器線圈的斷開電源信號，采集該信號，判斷接觸器線圈失電時間。

通過分析上述的數據信號，確立使用并網接觸器替代框架斷路器后的合閘和分閘時間，從時間上判斷其性能是否具備優越性。

1.2 時序測試

（1）正常并網測試。實驗條件：為了驗證變流器并網接觸器替代框架斷路器后的合閘性能和并網時序，將早期一代中使用框架斷路器作為并網開關的變流器進行改造，用并網接觸器去替代變流器原有的框架斷路器作為并網開關。保證變流器其他原有的控制邏輯不變。

（2）正常脫網測試。實驗條件：風速6m/s左右，風機維持功率300kw左右運行的工況下進行。風機運行中，手動停機，風機無故障脫網，采集變流器的數據波形。分析從監測到分閘指令到收到接觸器的斷開反饋的時間是否滿足性能要求及分斷時定子電流、轉子電流是否有暫態沖擊。

圖1 正常脫網波形圖

如圖1，脫網時變流器收到主控的停機指令后，發出并網開關分閘指令，指令時間504ms左右，指令發出后108ms并網接觸器脫開，在此期間，定/轉子電流電網電壓數據良好，無尖峰突變的現象，測試數據說明使用接觸器替代框架斷路器在變流器正常脫網時序上滿足脫網要求。

2 無源crowbar造成的部分問題

2.1 無源crowbar原理介紹

由于早期電網對低穿標準的要求標準低，一代雙饋變流器基本上采用的是無源的被動式crowbar裝置。

變流器采用無源被動式crowbar，由二極管整流橋和直流短路晶閘管構 成，當直流母線電壓達到保護值時，控制系統觸發晶閘管使其導通，從而將轉子繞組短路，實現保護轉子側變流器的功能，晶閘管導通后，crowbar回路會和轉子繞組一直保持連接狀態，待并網開關（框架斷路器或者并網接觸器）將定子側與電網完全斷開切轉子電流衰減為零后，晶閘管恢復阻斷狀態。從無源crowbar保護電流的控制上看，晶閘管不能自行關斷，所以故障發生后，必須將電網和發電機脫開，只能脫網處理。

2.2 直流母線過壓故障引起的斷路器拉弧問題

采集了變流器運行中直流母線電壓故障停機的數據，一并作為跳閘分析。變流器并網運行中，發電機轉速1300rpm左右，功率230kw到260kw，運行中故障脫網，變流器直流母線故障停機。

從圖2可看到變流器直流母線電壓過壓故障時，轉子馬上封鎖脈沖，停止調制，同時控制系統發出了分閘信號。在接觸器脫開的暫態時間內，定子電流很大，瞬時最大值達到2900A，暫態時間持續84ms左右。97ms后并接觸器脫開。暫態時間內如此大的電流對接觸器或者框架斷路器的性能要求很高，且早前變流器的并網開關采用的是框架斷路器，框架斷路器的短時過載電流保護閥值Isd和tsd的設置需要參考斷路器本身短時過載的脫扣曲線設置，時間設置需要參考斷路器脫扣的反時限曲線。一般1.5MW雙饋變流器的框斷整定保護值設置為：Isd=1.5×In和tsd=0.2s，In=1600A。因此不難得出，出現上述問題時很容易導致框架斷路器跳閘，甚至可能觸發風機低壓側的箱式變壓器的斷路器保護開關的整定閥值，導致箱變跳閘。

圖2 故障前后轉子電流波形

2.3 跳閘原因分析

變流器運行中檢測到直流母線過壓，觸發了被動式crowbar，將發電機的轉子繞路短接在了crowbar回路，封鎖了轉子側變流器脈沖，此時雖然變流器已經發出并網開關分閘指令，但是斷路器或者接觸器脫開需要時間，在脫開時間內，電網和發電機始終連接在一起，因此暫態時間內此時定子電流會很大，因為是無源被動式crowbar，變流器控制系統無法控制晶閘管不斷開通關斷，并且變流器的本身控制策略存在問題，監測到直流母線電壓時沒有通過控制降低母線電壓，任其增大，導致上述結果。受制于變流器的低穿模塊設計，暫態時間內無法通過控制減小定子電流。定子電流暫態時間內瞬時很大，極易觸發斷路器過載跳閘得保護設置條件，從而導致框架斷路器跳閘，且頻繁故障會導致斷路器的相間絕緣降低。

3 結語

本文首先詳細分析了對于早期的一代變流器的并網開關，可以使用分斷次數較多（約50萬次）的大電流接觸器替代分斷次數較少的框架斷路器作為新的并網開關使用，保留框架斷路器作為過流保護開關的功能使用。因此對于解決跳閘問題，現場需要解決掉變流器運行中直流母線過壓的問題。導致母線過壓的問題一般有：母線采樣系統出現問題，器件壽命到期或者損壞，造成直流母線電壓誤檢出；也有可能是網功率單元驅動板或者脈沖板出現問題，在網側調制時，某相電流缺失或者某相電流出現偏置導致調制時母線電壓被抬升過壓。