风机发电系统中变频器的故障诊断研究

刘斌

摘  要：本文首先阐述了风机发电及变频器概述，然后分析了变频器在风机发电中的应用，接着分析了变频器故障统计及诊断，最后对风机发电变频器故障防范与改进措施进行了探讨。希望能够为相关人员提供有益的参考和借鉴。

关键词：风机发电系统;变频器;故障诊断

引言：

随着风机发电功率的增加，风机发电的叶片已达到几吨或几十吨。操纵如此大的惯性量来跟踪风速变化和满足速度要求是非常困难的。近年来，投运的变桨距风机发电组，一方面通过叶片角度进行变桨距控制，另一方面通过变频器控制发电机转子电流来控制转速。变桨距控制是一个缓慢的过程，其操作时间以秒为单位，当风速和功率输出变化迅速，而控制发电机转子电流频率的变换器操作时间小于毫秒时，该过程并不理想。因此，当高频风速发生变化时，发电机转子的电流频率可以确保发电机能够跟上风速的频繁变化，稳定发电机的功率输出，减少对电网的不利影响，同时降低频率。

1风机发电及变频器概述

1.1分类

在细分的情况下，风机发电可根据空气轮主轴方向分为水平轴风机和垂直轴风机;根据风向，可分为上下通风机;视偏差形式而定，可分为被动和主动偏差风机;根据风轮叶片分为固定距离风机和可变距离风机，根据传动方式分为变速箱传动风机和直传动风机;根据发电机组模式，可分为笼式异步发电机组、双馈异步发电机组和永磁同步励磁发电机组。视风机能否改变螺旋桨转速而定，风机分为固定螺旋桨转速和可变螺旋桨转速两类。变频器控制电机系统具有显着节能、调节方便、维护简单、网络集中、远程控制和可编程控制器自动控制等优点。这些特性已广泛应用于电气和电子系统、工业自動控制等领域。

1.2变频器参数的设置

使用变频器时，如果满足传动系统的控制要求，必须设置变频器参数。如果参数设置不正确且控制无效，变频器将无法正常工作。新购买的变频器，制造商通常会在工厂中为每个参数设置默认值。在这些参数值下，变频器可以在配电盘工作模式下正常工作，但其本身不能满足大多数传输系统的要求。为了更好地控制，用户必须根据传输系统的实际情况并参照其操作说明修改变频器参数。变频器在没有设置的情况下工作不正常。最好将所有参数重置为出厂默认值，然后按照说明手册中的参数设置步骤重置相关参数。

1.3变频器在风机发电组中的工作方式

双馈异步发电机以超同步速度运行。超同步速度是指运行速度超过所需速度的情况。当风力强度使风机发电转子比通常要求的运行速度快时，这是一个超同步阶段。此时转子运行速度过高，转子输入电流过大，威胁到系统输入功率的稳定性。变频器可提供反向励磁交流电流来补偿转子某部分的输入电流，从而最终进入系统的电流强度可在稳定的范围内进行控制，保证风力稳定运行。双馈异步发电机以同步速度运行。当外风控制下转子运行速度达到系统要求的运行速度，且不超过系统同步运行速度时，变频器无需改变转子的输入电流，此时只能输入直流电流，使交流电流分量降至零。这是正常条件下的稳定运行状态，其中输入功率为正常输入功率。

2变频器在风机发电中的应用

2.1变频器在风机发电定子调速中的应用

变频器在风机发电中的应用主要表现在发电机定子运行速度的控制上。在上述三种变频器运行模式下，通过调整变频器的固定值，并通过调整变频器的当前频率，利用反馈系统来控制系统的运行，从而控制定子转速。一般来说，当发电机定子运行速度需要提高或降低时，系统中的转速或功率反馈会调节变频器的控制状态，使其输入相应频率的反向或正向励磁交流电流，改变系统状态，保持系统的稳定性变频器调速过程具有效率和精度特点，广泛用于控制风力发电系统的运行。

2.2变频器在发电机互联控制中的应用

变频器在发电机互联控制中使用风力发电需要具备一定的条件才能接入电网。然而，在实践中，风力涡轮机的运行受到一些外部因素的干扰。在加入电网之前，不能保证电网在其工作范围内的频率一致，也不能保证电压输入值和相位变化与电网系统协调一致。因此，必须通过一些调整和控制来协调这些措施，否则，这些措施将对风力涡轮机的设备造成严重损害。变频器的使用满足了这一要求，使发电机能够满足电网连接要求，从而大大降低电网连接的风险。3.变频器可以调节无功功率，实现滤波和过电压保护。无功调节通常是通过改变电流和电压的相位来实现的。变频器不仅可以调节电流和电压值，而且在相位调节中也起着重要作用。此外，风机发电的输入电流包含许多干扰电流，可以通过过滤变频器来消除这些干扰电流，以确保电网正常运行。此外，变频器在过电压保护的方向上起着重要作用，并防止某些电表因电压过高而烧毁。

3变频器故障统计及诊断分析

3.1风机发电组变频器故障统计分析

变频器故障主要故障有变频器IGBT模块损坏、变频器crowbar损坏、直流24V驱动电源损坏三种。

2.2风机发电组变频器故障诊断分析

将变频器的坏件进行元器件参数检测，与基准电压波形和电流波形对比，调阅故障前后参数进行比对，并应用大数据进行分析，得到IGBT模块损坏及crowbar损坏的主要原因有：第一，由于变频器维护不到位，模块和散热风扇上沾满了灰尘，散热效果差;第二，在机组长时间停机或停电时，变频器内部运行在潮湿的环境中，致板卡上凝露，或器件内部受潮，降低了电子器件绝缘阻值或使电子器件短路而被击穿而损坏。经过深入分析研究，变频柜ups电源故障的主要原因是：变频器UPS电源采用普通铅酸电池，该电源给IGBT功率模块、Crowbar、4U机箱等部件提供控制电源。因ups电源采用普通铅酸电池，其运行寿命大约在2年左右。铅酸电池寿命到期前，会表现出电源功能失效，不能连续稳定输出，频报UPS掉电故障等。同时其低温性能极差，通常在-15至-20℃的低温会出现无法正常放电，严重影响了机组正常运行。

4风机发电变频器故障防范与改进措施

针对上述故障原因，相应制定且实施了如下的防范与改进措施，有效提升了变频器的可靠性，起到了良好的治理效果。首先，在变频器冷却进风口加装防尘过滤网，加强风机的维护质量管理，定期检查清扫清洁变频器模块和散热风扇。通过进风口加装防尘过滤网，从源头上防止灰尘进入变频器内部，通过定期对变频器和散热风扇的清洁，保证了变频器运行在洁净的环境条件下，使散热的效果最大化，变频器的运行环境得到了有效的改善。其次，对变频器模块进行涂刷防潮绝缘漆，改进优化加热驱潮装置。对变频器模块表面涂刷防潮绝缘油漆，增强板卡的防潮能力。另一方面加装运行稳定的PTC加热电阻及温控开关等加热驱潮元件，根据停电时间长短通过程序控制PTC电阻加热时长，停电时间增加，驱潮时长亦按一定的算法增加;优化除湿控制逻辑和程序。最后，对变频器ups电源进行优化改进。通过比对（详见改进方案对比表），结合实用及经济性，选用钛酸锂电池替代变频器ups不间断电源的铅酸蓄电池，延长ups电源寿命，降低其故障率，提升风机运行可靠性

结束语：

随着生活用电需求日益增加，风机发电的运行规模也越来越大。目前风力发电规模的扩大给风电机组的稳定运行带来了一些技术问题。最常见的问题之一是发电机输出功率问题。电网中传输的功率通常必须保持在相对稳定的范围内，使风机能够以预定的速度运行。但是，在自然环境中，风力强弱并不稳定，随着其他因素的变化，会扰乱风机发电的稳定运行。因此将变频器用于风机发电组中，可以很好的解决这一技术难题，使风机发电的运行速率保持稳定，从而输出稳定的功率。

参考文献：

[1]风力发电系统变频器故障诊断研究[J].谭江;通讯世界.2017（20）

[2]风力发电系统中变频器的故障诊断研究[J].单艳梅;王磊;山东工业技术.2016（12）

[3]变频器故障诊断技术研究与分析[J].刘清峰.中国新通信.2020（13）