風機變流器監測及診斷技術研究

郭盼梁

（國家電投集團湖北電力有限公司風電分公司）

0 引言

風力發電為節省成本，通常在近海、山區、草原等地設置風力發電場，其與火力發電不同，機組數量幾十上百，且每臺機組相距較遠，對集控室要求較高。而風機變流器是電力調頻輸出的重要部分，由于所處環境惡劣，油污臟水、高溫濕熱、強電磁干擾，加上自身電路復雜，需承受大電流、高電壓狀態，容易發生故障，未能及時處理將會造成機組運行異常，影響風場生產。為保證風電場效率，提高設備安全性，需開發風機變流器監測和診斷系統，迅速獲得故障信息，減小停機與維修影響。

1 風機變流器結構原理

風機變流器采取三相電壓型交-直-交變流器技術，對雙饋異步風力發電機轉子勵磁，使其定子側電壓輸出頻率、幅值、相位和電網相同，根據需求獨立解耦控制無功有功［1］。風機變流器由配電系統、主電路系統、控制系統構成，零部件有整流模塊、并網開關、輸入/輸出濾波器、逆變模塊、風機、電流傳感器、監控界面、控制器等。見圖1。

圖1 風機變流器

2 風機變流器監測平臺

2.1 平臺組成

風機變流器在監測過程中，采取相應監測系統，負責實時傳輸、顯示變流器數據，使得人員能夠在界面上查看變流器情況，按時間將數據存儲于數據庫內［2］。數據庫以硬盤為載體，以CSV形式保存文件，通過文件時間與數據類別相結合分類保存。

2.2 監控系統

風機變流器監測中，根據現場設備特點，以C/S架構為系統架構，主要是涉及軟件下發命令，由于風場內部網絡運行，命令不正確會損壞變流器，能夠提高數據監控速度［3］。監控系統為兩部分，一部分是變流器及數據前端，另一部分是上位機軟件。

2.3 通信系統

網絡通信是連接風機變流器與監控軟件的橋梁，支撐現場數據與軟件實時通信，根據變流器協議設計。監控系統實時傳輸數據，基于TCP/ⅠP網絡層協議，利用TCP協議實現通信，兩側網絡端口為通信介質，每隔一段時間，軟件向前端發送數據報文，前端獲得報文后，轉發至監控軟件，軟件收到后返回結束報文，完成數據傳輸工作。

2.4 顯示界面

界面有自定義工具欄，懸浮于界面上，不會隨著界面變化進行變化，工具欄可實現日志顯示與視圖切換。

總界面設計中，作為上位機監控軟件界面，負責監控風機變流器，是使用最多界面，要求顯示更多信息，進行良好規劃，做到雜而不亂，便于人員迅速定位。根據該要求，確定將風機變流器網絡情況、基本指標、風機編號、工作狀態等集中至1個圖元顯示，其尺寸固定，進而根據界面窗口、風機數量，確定圖元列數與行數［4］。而圖元各要素中，左上角是風機狀態，實時更新風機停轉、網絡通信情況，采集數據狀態。右側指標標注了關鍵風機數據，包括風機轉速、無功功率、有機功率等。

實時數據界面，由于風機變流器數據較多，未能組織規劃，將無法及時獲得監測數據，且會造成視覺疲勞。為此，監控界面中文化，分為轉子側、定子側、系統側、開關狀態、溫度、網側，分別分組顯示。

3 風機變流器診斷技術

3.1 三相智能功率模塊診斷

智能功率模塊（ⅠPM）是變流器功率部件，存在于卸荷回路、網側、機側，封裝了保護電路、驅動電路、絕緣柵雙極晶體管，簡化了功率驅動電路。該故障表現為過溫、欠壓、橋臂過流，功率驅動電路中必須保護電路，利用ⅠPM保護功能，提高其可靠性［5］。通常ⅠPM保護電路能夠為系統提供過溫保護、過流保護等功能，且設置相應封裝電路模式，基本結構是三相橋臂，含有徐柳二極管，內置驅動電路、報警輸出單路和保護電路。

ⅠPM可用于單相及三相電路之中，用戶僅需在主接線端，連接電源與負載端，即可為模塊提供能源及驅動信號，確保電路正常工作。并且，光耦外圍電路也能生成驅動信號，增強模塊性能。但是，在模塊運行中，ⅠMP內部盡管采取一定方案隔絕噪聲，卻由于噪聲強度、種類均有所不同，如果超出防護范圍，將會造成誤動作，或是設備零件損壞的情況。而自集成限流保護功能如果檢測到誤動作后，確定電機電流較高，后續則難以確定續流二極管情況，如果電流過高，也難以進行保護。為此，ⅠPM不僅要設計自集成保護，為確保運行安全可靠，應當在主電流部分，安裝阻容保護、熔斷器保護。此外，風力發電系統中，ⅠPM還容易出現電壓或電流過高情況，瞬間電流過大，超出正常溫度，運行功率較大，也會燒毀功率開關管，甚至難以修復。功率元件被損傷后，電路結構也會產生變化，影響發電功率、頻率。并且，二極管或功率管產生開路故障，長期運行將會徹底損壞系統部件，導致系統崩潰。因此，在故障檢測診斷中，需利用溫度傳感器，實時檢測ⅠPM模塊是否出現溫度超限值情況，且在反并聯二極管損壞前，快速切斷短路電流，避免故障。

3.2 熔斷器診斷

風機變流器系統中，網側LCL電容熔斷器、預充電容斷器、卸荷回路熔斷器、直流母線熔斷器等均使用熔斷器，如果出現短路情況，則無法過流時將連接回路斷開，或是失效后，線路也無法正常連接。在使用熔斷器時，由于外界環境與電流影響，其由石英砂、玻璃、陶瓷、熔絲材料構成，不可避免會產生老化。而玻璃、陶瓷物理化學性質較為穩定，熔斷器老化多是電極、熔絲老化。熔斷器數量較多，難以通過全部檢測對老化情況進行診斷，且一旦出現熔斷，無法檢定是熔斷器老化誤動作還是電路遺產熔斷，存在重大安全隱患。為此，在故障檢測診斷中，在監測系統中將每個熔斷器材料老化限值輸入其中，確保達到限值前，系統自動提醒工作人員，使得人員檢查熔斷器老化情況，進而更換維修，保證熔斷器質量。并提取最高溫度值，與鄰近同類型熔斷器比較，通過超聲波檢測技術，檢測其接線端子是否局部放電。熔斷器診斷技術應用后，其經濟效益顯著，第一，減少故障停機時間，經技術監測得知風機變流器系統熔斷器的運行狀態，一旦發現異常，及時傳遞報警信息，提醒工作人員前來處理，縮短故停時間，讓熔斷器盡快投入使用。熔斷器診斷技術使用后，故障停機時間整體上縮短1h到1.5h。第二，減少能源耗量。熔斷器診斷技術及時投用，能夠降低能源消耗，減少碳排放量，進而擴大企業利潤空間，并提高企業社會效益。一般來說，當熔斷器診斷技術充分應用，能夠減少碳總排放量的2%左右，即減輕環境污染，為新能源市場發展而助力。

3.3 電抗器診斷

風機變流器機側與網側存在電抗器，容易出現繞組開路、溫度過高等情況，產生故障。此過程中，溫度由于是緩慢提升，難以迅速捕捉溫度提升的信號，變流器不會立即停止工作，發送故障通知，僅在溫度提升至閾值后，直接發送信號，確定是否停運。同時，變流器控制計算機面對過溫故障存在一定時間間隔，相應時間內停機信號未發出，也會自行停機，停止變流器，維護電抗器正常運行。所以，為維護電抗器，需在監控系統內構建溫度模型，對其過載、過流等信息進行預判，如果出現溫度逐漸上升的問題，則考慮降額運行。

電抗器實際運行中，如果電路過流、過壓等，會對電抗器造成損壞，運行電流長期低于額定電流，主要是由于電抗器線圈與電流引入線出現密封開裂問題造成，與過電壓、過電流無關。并且，電抗器運行環境也會對其造成影響，工作溫度較高，外部絕緣材料會逐漸損壞、開裂，進而對其造成影響，需要根據材料壽命，以不快速老化的容許溫度為耐熱等級，計算極限溫度下材料老化速率，利用監控平臺進行實時監控，安裝紅外熱成像技術，評估溫度分布的同時，使用超聲波檢測查看是否受潮或絕緣破損，確保電抗器運行正常。此外，基于電抗器診斷技術及時發現問題，針對故障類型制定相應的處理措施。例如，某變電站安裝10kV電力電抗器，額定電壓10kV，額定電流50A。利用在線監測系統（溫度模型）收集電抗器的運行數據，包括電壓、電流、溫度、振動等，之后對數據清洗、整理和歸納，形成數據集。接下來運用數據預處理技術，對異常數據進行處理，如去除離群值、填補缺失值等。發現電抗器存在線圈松動、絕緣層老化的問題，通過線圈加固、絕緣層更換對電抗器修復。最后對電抗器性能評估，結果顯示，電抗器電抗率為6%，且絕緣耐熱等級F級，額定絕緣水平3kV/min，均達到了設計要求，最終電抗器正常運行。此外，診斷技術的有效應用，還能預防故障發生。

3.4 傳感器診斷

風機變流器傳感器故障是工作一段時間后，傳感器某瞬間偏離工作狀態，分為緩變型故障與突發型故障（周期型故障、尖峰型故障、偏置型故障、漂移型故障等）。傳感器如果處于非正常狀態，輸出瞬變，變化盡管較小，卻涵蓋傳感器故障信息，引發信號突變。根據傳感器信號動態性特點，確定突變點是信號奇異點，利用小波變化模擬的方法，確定信號奇異點的極大值，及各頻率信號，確定傳感器故障中，某種或幾種頻率能量變化，提取特征后，即可明確傳感器故障情況。并且，在傳感器診斷中，需要先對其故障與否加以判斷，進而確定故障位置，方能隔離相關傳感器。由于傳感器輸出信號是根據正常數值突變后，生成階躍信號或尖峰脈沖類型，通過監控平臺，統計傳感器噪聲特性，結合日常運行要求，設置門限值，如果超出門限值，參數顯示于屏幕上進行預警，即可判斷某傳感器故障，對其隔離。

3.5 電容器診斷

直流母線電容與濾波電容是風機變流器重要電容器件，失效模式體現為漏電流過大、電容值降低。正常運行電壓與工作溫度下，漏電流與電容器發熱小，如果電容器劣化，會逐漸增大漏電流與溫度。為此，可利用紅外線檢測技術，判斷溫度變化趨勢及分布規律，檢測電容器潛在漏電流超標故障，針對性安排維修。舉例來說，某大型工廠的電力系統進行紅外線檢測時，發現一臺電容器表面溫度異常高，達到了158℃。經過進一步檢查，發現該電容器的內部出現了嚴重的短路故障。由發現時間早、措施應用得當，避免了設備損壞和系統停機，降低了維修成本，止損折現約7000元。

4 結束語

綜上所述，風力發電系統運行中，傳統監測主要是以來人員現場操作，產生故障后需要人員到達現場，利用筆記本電腦與串口連接獲取數據，效率較低，難以準確監控風機變流器情況。因此，在風機變流器運行中，應當結合實際情況，需設計監控平臺，配合恰當的三相智能功率模塊、熔斷器、電抗器、傳感器、電容器故障診斷技術，確保風電設備安全，進而迅速排除故障，減少維修次數，提高生產效率。