某風電場風機變頻器crowbar故障分析及處理

顏 源，蔡江潮，李 剛

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 概 述

國內某裝機容量4.8 MW風電場，采用廣東明陽2.0 MW機組，使用天津瑞能變頻器廠家生產的2.0 MW高原I型雙饋變頻器。crowbar作為風力發電機變頻器的重要組成部分，是電網電壓跌落時抑制變流器過電流和轉子繞組過電壓的保護元件，分為有源與無源兩種，該風電場采用的是有源crowbar[1]。自2014年投運以來，該風電場多臺機組頻繁發生變頻器crowbar燒損故障，由于燒損crowbar元件無法修復，因備件原因給風電場造成較大發電量損失，并且crowbar元件更換成本較高，如出質保后問題得不到解決將給風電場造成近50萬元/年維護成本。

2 故障發生過程及處理分析

該風電場于2014年10月完成24臺風機并網發電，2016年全場機組頻發crowbar元件損壞。據統計數據顯示，當年風電場共發生約30次變頻器類故障，其中crowbar元件損壞近10余次。由于該元件非易損元件，也非風機及變頻器用戶中的常見問題，由此引起了運維人員及廠家重視。通過整理對比出現損壞的crowbar機組的后臺記錄發現損壞現象存在許多共性[2]。以2016年3月的2次損壞為例，3月6日該風電場35 kV集電一線發生引流線斷線，所帶1#至12#風機受累停運，次日線路故障處理完畢恢復送電后所帶風機中1#、3#、4#、7#、8#機組無法啟機[3]，后臺報機組變頻器類故障，無法遠程復位，當值人員與廠家立即赴現場調查處理。通過現場檢查發現，機組無法啟機的原因均為變頻器crowbar損壞。同月27日，該風電場35 kV集電二線發生引流線斷線故障，所帶13#至24#風機受累停運，現場檢查發現有6臺風機無法啟機，同為變頻器crowbar損壞導致。兩次crowbar損壞均出現在集電線路發生單相永久性故障時，此時電網電壓跌落，網側失電，機組進入低電壓穿越。由于故障無法恢復，低電壓穿越失敗，后轉子側停機，報轉子側逆變器驅動故障。

由于兩次故障出現時均發生在同類故障下，因此運維人員與廠家將損壞列為共性問題排查。通過對比損壞與未損壞crowbar機組的變流器記錄發現，被燒損crowbar的機組在發生低穿時，部分機組主控程序曾出現關斷crowbar瞬間出現的大電流的指令，造成其流過大電流損壞，并報驅動故障停機。進一步排查發現，未損壞機組采用的是較新版本主控程序，該程序中優化了低穿控制策略，并且增加了crowbar電流估算功能，避免大電流關斷crowbar，造成元件損壞[4]。少量機組未燒損crowbar原因應為線路故障時各臺風機網側電壓存在差異，變頻器在開通關斷crowbar指令時錯開了尖峰電流，避免了crowbar因過流燒損，應為偶然現象[5]。

按照排查結果，風機廠家針對電網跌落、電網不平衡等方面對全場機組做程序升級改善，后續出現線路單相永久性故障時，crowbar元件未出現損壞。

2018年3月12日，該風電場再次出現多臺風機crowbar元件損壞，損壞當日風電場發生35 kV集電二線動作跳閘，所帶風機受累停運，線路故障處理完畢恢復送電時發現4臺機組crowbar損壞。風電場運維人員與廠家按程序調閱了故障錄波記錄、機組主控記錄及變頻器記錄。記錄顯示，集電二線跳閘原因為線路B、C相發生兩相短路故障，110 kV B、C兩相電壓跌落至零。此后，調閱一臺crowbar損壞機組變頻器記錄及主控記錄，發現機組在出現電網異常狀態時，按主控程序設置正確進入低穿模式，由于故障為永久性故障，低穿過程失敗，機組正常執行保護停機，報文中出現有源crowbar模塊驅動故障。圖1為23#風機變頻器記錄。

圖1 23#風機變頻器記錄

記錄中可見機組進入故障穿越模式時檢測到轉子側故障電流，crowbar依照原理進行能量泄放，低穿過程中轉子轉速為1 010轉，對應轉子開路反電動曲線，轉子電壓至少為700 V，此時crowbar會開通大約1 800 A的電流。當電網電壓瞬間跌落時，變頻器轉速無法瞬間降至主控設置脫網轉速970轉，由此產生較大轉速差，此時流過轉子側crowbar電流估算約為3 000 A以上，同時低轉速下轉子仍處于高電壓狀態[6]。通過進一步排查發現，當網側斷電后，crowbar 24 V供電出現異常。經查現場機組crowbar供電取自市電，由此造成當變頻器斷電后crowbar 24 V供電失效，即網側發生三相永久性失電時crowbar掉電，導致其失控關斷，較大關斷電壓造成crowbar內部IGBT模塊損壞。

按照排查結果，廠家首先增加了變頻器低穿功率計算方式，優化了低穿曲線。其次，修改了控制crowbar的交流接觸器KM6線圈的取電回路，將接觸器取電由市電改為UPS供電，保證在發生網側失電時，crowbar 24 V控制電源不掉電，保證其正常工作。

3 結 論

該風電場crowbar損壞分別為主控程序不匹配及電路設計不符合運行要求導致，雖不是普遍問題，但也是機組運行過程中存在的隱患。后續風電場建設期間應增加對主控程序適應性及控制回路的檢查，納入采購合同范本。同時，做好驗收工作，增加crowbar動作合閘接觸器供電回路及主控程序的檢查項目，避免同類問題再次發生。風力發電機組故障種類復雜，需解決的問題眾多，為實現發電效益最大化，縮短機組停運時長，場內運維人員應不斷加強自身技術能力，掌握風機的技術重點，防范故障于未然，保障風機安全穩定運行。