周曉東

摘要：本文首先分析了雙饋式異步發(fā)電機(jī)的構(gòu)成和原理，接下來詳細(xì)闡述了以案例形式詳細(xì)闡述了波形分析在風(fēng)電機(jī)組變流器故障處理中的應(yīng)用，希望通過本文的分析研究個(gè)，給行業(yè)內(nèi)人士以借鑒和啟發(fā)。同時(shí)希望為我國(guó)波形分析在風(fēng)電機(jī)組變流器故障處理中的應(yīng)用的探討獻(xiàn)言獻(xiàn)策。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;變流器;故障處理;波形分析

引言

風(fēng)能被稱為清潔的綠色能源，隨著許多研究工作的進(jìn)行，越來越多的高效風(fēng)電機(jī)的開發(fā)，使世界上大多數(shù)國(guó)家都能獲得這種清潔能源。此外，它的可靠性也非常重要，無論它是否將在規(guī)定時(shí)間段內(nèi)遇到的給定條件下有效地執(zhí)行其功能。從以前的文獻(xiàn)中可以看出，大多數(shù)情況下，各種故障發(fā)生在葉片/變槳機(jī)構(gòu)、變速箱系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)、動(dòng)力變流器、偏航系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)。目前，大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率約為6MW，用于近海和海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)。發(fā)電機(jī)組和電力變流器，在風(fēng)力發(fā)電的整體可用性中起著非常重要的作用，因?yàn)槿绻娏ψ兞髌靼l(fā)生任何故障，它可能會(huì)關(guān)閉整個(gè)風(fēng)力發(fā)電，因此這些電力變流器的可靠性在整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的停機(jī)中是非常重要的問題。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組的大氣條件和額定容量，風(fēng)電機(jī)變流器可采用兩級(jí)開關(guān)變流器、三級(jí)開關(guān)變流器和多級(jí)開關(guān)變流器等不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。對(duì)于變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)，傳統(tǒng)的變流器沒有得到優(yōu)化，因?yàn)樵谳^低風(fēng)速下，由于產(chǎn)生的電壓降低或共振變流器中的某些循環(huán)電流降低，它們的效率很低。在低速時(shí)產(chǎn)生的電壓較小，因此變流器的效率也會(huì)降低，但借助不同的開關(guān)技術(shù)，即使在低電壓時(shí)也可以提高變流器的效率，并保持高輸出電壓。

1雙饋式異步發(fā)電機(jī)的構(gòu)成和原理

1.1構(gòu)成

變速恒頻雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與異步式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)基本一致，都包括轉(zhuǎn)子、電刷及滑環(huán)。異步式發(fā)電機(jī)中，轉(zhuǎn)子可通過側(cè)入方式進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，并進(jìn)行電流傳輸。此傳輸方式不僅提高了電能傳輸?shù)男?，而且可穩(wěn)定異步式發(fā)電機(jī)的交流定頻。雙饋式異步發(fā)電機(jī)是由一臺(tái)帶電環(huán)的定子、變流器及異步電機(jī)共同組成。變流器主要通過交換電流輸出電流，在整體變流中的工作路程是不可逆的。變流器與集成電環(huán)相連，保證轉(zhuǎn)子在交流電路中以直流電的形式輸送電能，然后在交換機(jī)中進(jìn)行交流轉(zhuǎn)化，經(jīng)平波電抗系統(tǒng)過濾后，對(duì)干擾因素和可逆電流進(jìn)行回流，最終返回到電網(wǎng)。這一過程就是雙饋式異步發(fā)電機(jī)向電網(wǎng)輸送功率的具體過程。

1.2基本原理

由于雙饋式異步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子在進(jìn)行發(fā)電時(shí)，相較于空間內(nèi)的磁場(chǎng)，其相對(duì)位置是靜止的，因此當(dāng)電機(jī)頻率不變時(shí)，定子頻率發(fā)生改變，與轉(zhuǎn)子之間的相對(duì)關(guān)系仍成立。發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速與定、轉(zhuǎn)子的電流頻率關(guān)系公式為：

其中，f1為定子的電流頻率，單位為Hz;f2為轉(zhuǎn)子的電流頻率，單位為Hz;N為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，單位為rmin-1;P為發(fā)電機(jī)的磁極對(duì)數(shù);N1為同步轉(zhuǎn)速。由式知，若發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生改變，需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的頻率，以保證定子的頻率不變。為保證與電網(wǎng)相同的頻率進(jìn)行電力輸送，恒頻的控制需以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子的電流頻率實(shí)現(xiàn)。由于轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)速度與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速不同，可將雙饋式發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)簡(jiǎn)單分成同步運(yùn)行狀態(tài)、低速同步狀態(tài)和超速同步狀態(tài)。雙饋異步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)之間的連接采用柔性連接。在發(fā)電機(jī)內(nèi)部，定子與外部發(fā)電網(wǎng)絡(luò)直接相連，利用環(huán)狀磁場(chǎng)抵消內(nèi)部的磁場(chǎng)力量，并通過控制轉(zhuǎn)子的相應(yīng)流速、位置以及頻率等物理特征控制發(fā)電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)變速恒頻控制。雙饋式異步發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)過程：先啟動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，由于初始速度較低需進(jìn)行物理輔助;當(dāng)轉(zhuǎn)子在回路中產(chǎn)生的電能足夠推動(dòng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)內(nèi)部的電壓同步，最終實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)快速與無電流沖擊并網(wǎng)。雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)由電力磁場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)發(fā)電，可變性較高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，但在頻率調(diào)節(jié)方面需精準(zhǔn)控制。由于風(fēng)力發(fā)電的轉(zhuǎn)數(shù)隨風(fēng)變化，可進(jìn)行雙饋式發(fā)電，以保障所產(chǎn)電能頻率穩(wěn)定。改變電流的增幅和相位關(guān)系，可改變電網(wǎng)中的電壓和發(fā)電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子之間的關(guān)系。兩者之間的相位角隨發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的改變而改變，最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)有用功和無用功的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

1.3變流器的構(gòu)成及工作原理

變流器是實(shí)現(xiàn)電流調(diào)解的儀器，主要包括主電路系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、集成電路以及配電系統(tǒng)。各個(gè)系統(tǒng)又包括很多模塊，大致分為定子開關(guān)模塊、整流穩(wěn)流模塊、輸入輸出模塊、濾波器模塊、防逆變模塊、電流傳感模塊、散熱風(fēng)機(jī)模塊、有線監(jiān)控模塊及中控模塊等。變流器的主電流系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)子側(cè)逆變單元、電網(wǎng)側(cè)整流單元及直流母線單元。變流器的基本工作原理是將雙饋式異步風(fēng)電機(jī)中的定子產(chǎn)生的電能通過變流的方式接入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)電力的輸送。電力輸送過程中，需確保定子是圍繞其中一個(gè)變頻的交流三相電源進(jìn)行相關(guān)作業(yè)，從而帶動(dòng)另外幾個(gè)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。此發(fā)電方式可最大限度實(shí)現(xiàn)交流的勵(lì)磁效應(yīng)，促進(jìn)額定功率的增長(zhǎng)。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生的變化導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率發(fā)生改變時(shí)，可改變勵(lì)磁電流的運(yùn)動(dòng)頻率，促使整體輸出電流的頻率仍滿足額定需求。風(fēng)力發(fā)電機(jī)所發(fā)電能需與電網(wǎng)的輸送頻率相同，以實(shí)現(xiàn)恒頻發(fā)電。當(dāng)風(fēng)電機(jī)處于超同步工作狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于逆變狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子回路通過變流器向電網(wǎng)輸送工頻電能。當(dāng)風(fēng)電機(jī)處于亞同步工作狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)側(cè)變流器處于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則處于逆變狀態(tài)，電網(wǎng)通過變流器向轉(zhuǎn)子回路輸送電能。

2波形分析故障案例

某風(fēng)電場(chǎng)#2風(fēng)機(jī)報(bào)變流器系統(tǒng)故障，遠(yuǎn)程可復(fù)位，下載變流器故障時(shí)刻波形，借助波形分析方法快速定位故障點(diǎn)。

2.1故障波形分析

下載故障時(shí)刻波形，依次調(diào)出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速波形、有功功率波形、三相定子電流波形、定子電壓波形、轉(zhuǎn)子電流波形，確定故障相。再逐一分析故障相各波形變化。故障前A相ILSC（輸入IGBT的電流）、IMSC（勵(lì)磁電流）和Istater（并網(wǎng)電流）均處于正常狀態(tài);在故障時(shí)刻Istater（并網(wǎng)電流）突然為零，而ILSC和IMSC波形發(fā)生了畸變，說明并網(wǎng)回路在此刻斷開。現(xiàn)場(chǎng)查看發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)開關(guān)（Q10）并未動(dòng)作，而故障時(shí)電網(wǎng)也無故障。各開關(guān)的動(dòng)作順序：首先動(dòng)作了Gen.CB，即并網(wǎng)開關(guān)（Q10）或并網(wǎng)主接觸器（K1）。從現(xiàn)場(chǎng)處理情況看，因先后更換了欠壓線圈和微控制器Micrologic，且故障中Q10未動(dòng)作，可排除并網(wǎng)開關(guān)損壞的可能。判斷造成故障的原因?yàn)椴⒕W(wǎng)主接觸器K1損壞。機(jī)組報(bào)出變流器系統(tǒng)故障（M10），復(fù)位后機(jī)組可正常運(yùn)行，但在高負(fù)荷時(shí)報(bào)出同樣故障。判斷并網(wǎng)主接觸K1可能在高電壓沖擊下發(fā)生接觸不良的情況，因而在高負(fù)荷時(shí)出現(xiàn)異常斷開現(xiàn)象。

2.2故障處理

更換主接觸器后故障排除

結(jié)語(yǔ)

變流器作為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的核心部件，且多為純進(jìn)口型，故障處理效率直接影響到發(fā)電效率。通常，運(yùn)維人員在故障處理時(shí)多憑借經(jīng)驗(yàn)，通過更換相關(guān)元器件的方式來查找和排除故障，這種方法效率較低。而采用波形分析方法排查故障點(diǎn)，首先要熟知雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行原理，其次要對(duì)變流器工作原理和并網(wǎng)時(shí)各元器件動(dòng)作過程熟練掌握。在此基礎(chǔ)上，充分利用變流器自帶的故障錄波功能，對(duì)記錄的故障波形進(jìn)行分析，快速查找出故障點(diǎn)，恢復(fù)機(jī)組運(yùn)行，故障處理效率則大為提高。

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