風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)中變頻器的故障診斷研究

劉斌

摘 ?要：本文首先闡述了風(fēng)機(jī)發(fā)電及變頻器概述，然后分析了變頻器在風(fēng)機(jī)發(fā)電中的應(yīng)用，接著分析了變頻器故障統(tǒng)計(jì)及診斷，最后對風(fēng)機(jī)發(fā)電變頻器故障防范與改進(jìn)措施進(jìn)行了探討。希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)人員提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng);變頻器;故障診斷

引言：

隨著風(fēng)機(jī)發(fā)電功率的增加，風(fēng)機(jī)發(fā)電的葉片已達(dá)到幾噸或幾十噸。操縱如此大的慣性量來跟蹤風(fēng)速變化和滿足速度要求是非常困難的。近年來，投運(yùn)的變槳距風(fēng)機(jī)發(fā)電組，一方面通過葉片角度進(jìn)行變槳距控制，另一方面通過變頻器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流來控制轉(zhuǎn)速。變槳距控制是一個(gè)緩慢的過程，其操作時(shí)間以秒為單位，當(dāng)風(fēng)速和功率輸出變化迅速，而控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流頻率的變換器操作時(shí)間小于毫秒時(shí)，該過程并不理想。因此，當(dāng)高頻風(fēng)速發(fā)生變化時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的電流頻率可以確保發(fā)電機(jī)能夠跟上風(fēng)速的頻繁變化，穩(wěn)定發(fā)電機(jī)的功率輸出，減少對電網(wǎng)的不利影響，同時(shí)降低頻率。

1風(fēng)機(jī)發(fā)電及變頻器概述

1.1分類

在細(xì)分的情況下，風(fēng)機(jī)發(fā)電可根據(jù)空氣輪主軸方向分為水平軸風(fēng)機(jī)和垂直軸風(fēng)機(jī);根據(jù)風(fēng)向，可分為上下通風(fēng)機(jī);視偏差形式而定，可分為被動和主動偏差風(fēng)機(jī);根據(jù)風(fēng)輪葉片分為固定距離風(fēng)機(jī)和可變距離風(fēng)機(jī)，根據(jù)傳動方式分為變速箱傳動風(fēng)機(jī)和直傳動風(fēng)機(jī);根據(jù)發(fā)電機(jī)組模式，可分為籠式異步發(fā)電機(jī)組、雙饋異步發(fā)電機(jī)組和永磁同步勵磁發(fā)電機(jī)組。視風(fēng)機(jī)能否改變螺旋槳轉(zhuǎn)速而定，風(fēng)機(jī)分為固定螺旋槳轉(zhuǎn)速和可變螺旋槳轉(zhuǎn)速兩類。變頻器控制電機(jī)系統(tǒng)具有顯著節(jié)能、調(diào)節(jié)方便、維護(hù)簡單、網(wǎng)絡(luò)集中、遠(yuǎn)程控制和可編程控制器自動控制等優(yōu)點(diǎn)。這些特性已廣泛應(yīng)用于電氣和電子系統(tǒng)、工業(yè)自動控制等領(lǐng)域。

1.2變頻器參數(shù)的設(shè)置

使用變頻器時(shí)，如果滿足傳動系統(tǒng)的控制要求，必須設(shè)置變頻器參數(shù)。如果參數(shù)設(shè)置不正確且控制無效，變頻器將無法正常工作。新購買的變頻器，制造商通常會在工廠中為每個(gè)參數(shù)設(shè)置默認(rèn)值。在這些參數(shù)值下，變頻器可以在配電盤工作模式下正常工作，但其本身不能滿足大多數(shù)傳輸系統(tǒng)的要求。為了更好地控制，用戶必須根據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)際情況并參照其操作說明修改變頻器參數(shù)。變頻器在沒有設(shè)置的情況下工作不正常。最好將所有參數(shù)重置為出廠默認(rèn)值，然后按照說明手冊中的參數(shù)設(shè)置步驟重置相關(guān)參數(shù)。

1.3變頻器在風(fēng)機(jī)發(fā)電組中的工作方式

雙饋異步發(fā)電機(jī)以超同步速度運(yùn)行。超同步速度是指運(yùn)行速度超過所需速度的情況。當(dāng)風(fēng)力強(qiáng)度使風(fēng)機(jī)發(fā)電轉(zhuǎn)子比通常要求的運(yùn)行速度快時(shí)，這是一個(gè)超同步階段。此時(shí)轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度過高，轉(zhuǎn)子輸入電流過大，威脅到系統(tǒng)輸入功率的穩(wěn)定性。變頻器可提供反向勵磁交流電流來補(bǔ)償轉(zhuǎn)子某部分的輸入電流，從而最終進(jìn)入系統(tǒng)的電流強(qiáng)度可在穩(wěn)定的范圍內(nèi)進(jìn)行控制，保證風(fēng)力穩(wěn)定運(yùn)行。雙饋異步發(fā)電機(jī)以同步速度運(yùn)行。當(dāng)外風(fēng)控制下轉(zhuǎn)子運(yùn)行速度達(dá)到系統(tǒng)要求的運(yùn)行速度，且不超過系統(tǒng)同步運(yùn)行速度時(shí)，變頻器無需改變轉(zhuǎn)子的輸入電流，此時(shí)只能輸入直流電流，使交流電流分量降至零。這是正常條件下的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，其中輸入功率為正常輸入功率。

2變頻器在風(fēng)機(jī)發(fā)電中的應(yīng)用

2.1變頻器在風(fēng)機(jī)發(fā)電定子調(diào)速中的應(yīng)用

變頻器在風(fēng)機(jī)發(fā)電中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在發(fā)電機(jī)定子運(yùn)行速度的控制上。在上述三種變頻器運(yùn)行模式下，通過調(diào)整變頻器的固定值，并通過調(diào)整變頻器的當(dāng)前頻率，利用反饋系統(tǒng)來控制系統(tǒng)的運(yùn)行，從而控制定子轉(zhuǎn)速。一般來說，當(dāng)發(fā)電機(jī)定子運(yùn)行速度需要提高或降低時(shí)，系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速或功率反饋會調(diào)節(jié)變頻器的控制狀態(tài)，使其輸入相應(yīng)頻率的反向或正向勵磁交流電流，改變系統(tǒng)狀態(tài)，保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性變頻器調(diào)速過程具有效率和精度特點(diǎn)，廣泛用于控制風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行。

2.2變頻器在發(fā)電機(jī)互聯(lián)控制中的應(yīng)用

變頻器在發(fā)電機(jī)互聯(lián)控制中使用風(fēng)力發(fā)電需要具備一定的條件才能接入電網(wǎng)。然而，在實(shí)踐中，風(fēng)力渦輪機(jī)的運(yùn)行受到一些外部因素的干擾。在加入電網(wǎng)之前，不能保證電網(wǎng)在其工作范圍內(nèi)的頻率一致，也不能保證電壓輸入值和相位變化與電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)一致。因此，必須通過一些調(diào)整和控制來協(xié)調(diào)這些措施，否則，這些措施將對風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害。變頻器的使用滿足了這一要求，使發(fā)電機(jī)能夠滿足電網(wǎng)連接要求，從而大大降低電網(wǎng)連接的風(fēng)險(xiǎn)。3.變頻器可以調(diào)節(jié)無功功率，實(shí)現(xiàn)濾波和過電壓保護(hù)。無功調(diào)節(jié)通常是通過改變電流和電壓的相位來實(shí)現(xiàn)的。變頻器不僅可以調(diào)節(jié)電流和電壓值，而且在相位調(diào)節(jié)中也起著重要作用。此外，風(fēng)機(jī)發(fā)電的輸入電流包含許多干擾電流，可以通過過濾變頻器來消除這些干擾電流，以確保電網(wǎng)正常運(yùn)行。此外，變頻器在過電壓保護(hù)的方向上起著重要作用，并防止某些電表因電壓過高而燒毀。

3變頻器故障統(tǒng)計(jì)及診斷分析

3.1風(fēng)機(jī)發(fā)電組變頻器故障統(tǒng)計(jì)分析

變頻器故障主要故障有變頻器IGBT模塊損壞、變頻器crowbar損壞、直流24V驅(qū)動電源損壞三種。

2.2風(fēng)機(jī)發(fā)電組變頻器故障診斷分析

將變頻器的壞件進(jìn)行元器件參數(shù)檢測，與基準(zhǔn)電壓波形和電流波形對比，調(diào)閱故障前后參數(shù)進(jìn)行比對，并應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到IGBT模塊損壞及crowbar損壞的主要原因有：第一，由于變頻器維護(hù)不到位，模塊和散熱風(fēng)扇上沾滿了灰塵，散熱效果差;第二，在機(jī)組長時(shí)間停機(jī)或停電時(shí)，變頻器內(nèi)部運(yùn)行在潮濕的環(huán)境中，致板卡上凝露，或器件內(nèi)部受潮，降低了電子器件絕緣阻值或使電子器件短路而被擊穿而損壞。經(jīng)過深入分析研究，變頻柜ups電源故障的主要原因是：變頻器UPS電源采用普通鉛酸電池，該電源給IGBT功率模塊、Crowbar、4U機(jī)箱等部件提供控制電源。因ups電源采用普通鉛酸電池，其運(yùn)行壽命大約在2年左右。鉛酸電池壽命到期前，會表現(xiàn)出電源功能失效，不能連續(xù)穩(wěn)定輸出，頻報(bào)UPS掉電故障等。同時(shí)其低溫性能極差，通常在-15至-20℃的低溫會出現(xiàn)無法正常放電，嚴(yán)重影響了機(jī)組正常運(yùn)行。

4風(fēng)機(jī)發(fā)電變頻器故障防范與改進(jìn)措施

針對上述故障原因，相應(yīng)制定且實(shí)施了如下的防范與改進(jìn)措施，有效提升了變頻器的可靠性，起到了良好的治理效果。首先，在變頻器冷卻進(jìn)風(fēng)口加裝防塵過濾網(wǎng)，加強(qiáng)風(fēng)機(jī)的維護(hù)質(zhì)量管理，定期檢查清掃清潔變頻器模塊和散熱風(fēng)扇。通過進(jìn)風(fēng)口加裝防塵過濾網(wǎng)，從源頭上防止灰塵進(jìn)入變頻器內(nèi)部，通過定期對變頻器和散熱風(fēng)扇的清潔，保證了變頻器運(yùn)行在潔凈的環(huán)境條件下，使散熱的效果最大化，變頻器的運(yùn)行環(huán)境得到了有效的改善。其次，對變頻器模塊進(jìn)行涂刷防潮絕緣漆，改進(jìn)優(yōu)化加熱驅(qū)潮裝置。對變頻器模塊表面涂刷防潮絕緣油漆，增強(qiáng)板卡的防潮能力。另一方面加裝運(yùn)行穩(wěn)定的PTC加熱電阻及溫控開關(guān)等加熱驅(qū)潮元件，根據(jù)停電時(shí)間長短通過程序控制PTC電阻加熱時(shí)長，停電時(shí)間增加，驅(qū)潮時(shí)長亦按一定的算法增加;優(yōu)化除濕控制邏輯和程序。最后，對變頻器ups電源進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。通過比對（詳見改進(jìn)方案對比表），結(jié)合實(shí)用及經(jīng)濟(jì)性，選用鈦酸鋰電池替代變頻器ups不間斷電源的鉛酸蓄電池，延長ups電源壽命，降低其故障率，提升風(fēng)機(jī)運(yùn)行可靠性

結(jié)束語：

隨著生活用電需求日益增加，風(fēng)機(jī)發(fā)電的運(yùn)行規(guī)模也越來越大。目前風(fēng)力發(fā)電規(guī)模的擴(kuò)大給風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了一些技術(shù)問題。最常見的問題之一是發(fā)電機(jī)輸出功率問題。電網(wǎng)中傳輸?shù)墓β释ǔ１仨毐３衷谙鄬Ψ€(wěn)定的范圍內(nèi)，使風(fēng)機(jī)能夠以預(yù)定的速度運(yùn)行。但是，在自然環(huán)境中，風(fēng)力強(qiáng)弱并不穩(wěn)定，隨著其他因素的變化，會擾亂風(fēng)機(jī)發(fā)電的穩(wěn)定運(yùn)行。因此將變頻器用于風(fēng)機(jī)發(fā)電組中，可以很好的解決這一技術(shù)難題，使風(fēng)機(jī)發(fā)電的運(yùn)行速率保持穩(wěn)定，從而輸出穩(wěn)定的功率。

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