某風電場一期項目采用33臺金風GW77/1500直驅(qū)機組，配置倍福主控、SWITCH變流器、SSB變槳系統(tǒng)。項目自2019年投產(chǎn)運行，投運初期機組穩(wěn)定運行。近些年變流器系統(tǒng)故障率有增加趨勢，其中變流器過流故障給大家?guī)砗艽罄_，下面是在現(xiàn)場維護過程中總結(jié)的心得，與大家共同分享，共同提高。

1、SWITCH變流器基本工作原理

變流器在風機系統(tǒng)中的主要作用是把風能轉(zhuǎn)換成適應(yīng)于電網(wǎng)的電能，反饋回電網(wǎng)。發(fā)電機發(fā)出交流電，此交流電的電壓和頻率都很不穩(wěn)定，隨葉輪轉(zhuǎn)速變化而變化，經(jīng)過電機側(cè)整流單元(或稱INU)整流，變換成直流電，送到直流母排上，再通過逆變單元(或稱AFE)把直流電逆變成能夠和電網(wǎng)相匹配的形式送入電網(wǎng)。

為了保護變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定，此外還有一個過壓保護單元(CHOPPER)，當某種原因使得直流母線上的能量無法正常向電網(wǎng)傳遞時，它可以將多余的能量在電阻上通過發(fā)熱消耗掉，以避免直流母線電壓過高造成器件的損壞。

變流器由芬蘭的TheSwitch公司研制，網(wǎng)側(cè)、電機側(cè)都采用主動整流方式。變流器整體結(jié)構(gòu)由5個機柜構(gòu)成，其中核心部件為1#，2#、4#、5#機柜內(nèi)部的功率模塊，由芬蘭的VACON公司生產(chǎn)。其中2#柜中的單元(1U1)即為網(wǎng)側(cè)功率單元，4、5#柜中的單元(2U1.3U1)為電機側(cè)功率單元，1#柜中的功率模塊(4U1)是制動單元。

圖1：金風1.5MW機組主框架圖

圖2：SWITCH變流器實物圖

　　2、變流器模塊的電流采集

　　圖3：模塊內(nèi)部原理圖

　　變流器模塊單體由6個IGBT組成，每個IGBT有一個CT作為電流采集單元，把電流量傳送給門極測量板，門極測量板通過插針傳送給驅(qū)動板，驅(qū)動板通過排線傳送給ASIC板，ASIC板通過光纖傳送給控制盒，控制盒經(jīng)過內(nèi)部定值核算，大于觸發(fā)值報過流故障，所以過流故障的報出可能會涉及每一環(huán)節(jié)。

圖4：模塊電流信號采集回路

　　3、故障原因分析

　　Switch變流器有自行設(shè)計的故障分析軟件NCDrive,變流器故障時控制盒可以保存故障觸發(fā)前1400ms至故障后600ms的數(shù)據(jù)，采樣周期為1ms，NCDrive軟件可以提取故障文件。經(jīng)分析多臺機組變流器過流故障文件，發(fā)現(xiàn)故障規(guī)律基本與下圖中故障數(shù)據(jù)類似。

　　直流母線電壓并網(wǎng)發(fā)電狀態(tài)基本維持在1050VDC左右，ASIC板和Drive板的供電由直流母線供給，當直流母線電壓大于600VDC左右時，兩塊板卡得電，此時變流器模塊的通訊建立，電流信號、溫度信號及驅(qū)動信號等由采集回路最終傳遞給控制盒，判斷故障是否觸發(fā)。因直流母線電壓在800VDC左右時，IGBT尚未調(diào)制，所以應(yīng)無電流，判斷為“假過流”故障。

　　圖5：故障文件數(shù)據(jù)分析

　　4、模塊本體拆解分析

　　經(jīng)拆解變流器故障模塊，通過更換ASIC板和Drive板卡，故障現(xiàn)象并未消除。進一步拆解故障模塊，發(fā)現(xiàn)門極測量板與IGBT連接方式為壓接，由彈簧針作為連接橋，傳輸IGBT驅(qū)動信號、電流采集信號、IGBT溫度信號等，所以這些信號的可靠性很大程度上依賴于彈簧針的性能。

　　本風電場變流器模塊于2009年投運，已運行12年，彈簧針依靠自身彈性，加上通過自身電流的熱膨脹工作在微壓縮狀態(tài)，經(jīng)拆解多臺相同問題模塊，發(fā)現(xiàn)門極測量板與彈簧針的壓接已不良好，判斷微變流器模塊的故障原因。

　　圖6：門極測量板

　　圖7：彈簧針(金針)

　　5、解決方案

　　針對Switch變流器模塊此類問題，開展深入研究分析，總結(jié)出以下兩個針對性方案。

　　5.1 門極驅(qū)動板維護

　　將功率單元沿側(cè)面放倒，拆卸IGBT上壓接的門極驅(qū)動板，使用防靜電軟毛刷刷去門極驅(qū)動板上的灰塵，刷去灰塵后使用無塵布進行清潔，門極驅(qū)動板與IGBT金針的接觸面要反復擦拭，去除表面的灰塵與氧化物。

 

 

　　5.2 IGBT金針維護

　　a)使用無塵布擦拭IGBT表面的灰塵，特別要反復擦拭IGBT金針頂部，去除金針表面的灰塵與氧化物;

　　b)檢查IGBT金針頂端與IGBT封裝面的距離，若有距離過短的需要取出相應(yīng)的金針進行輕微拉伸，消除金針疲勞，確保金針有足夠的彈性。

　　6、效果檢查

　　通過變流器故障數(shù)據(jù)的分析可以判斷出是否為“假過流”故障。若為“假過流”，可以通過此處理方案，開展對應(yīng)性的維護工作。將原來整體更換變流器模塊，優(yōu)化為開展對應(yīng)性維護即可。既節(jié)約了備件成本，也縮短了停機時長，此方案具備推廣意義。

　　參考文獻：

　　[1] GW-07FW.0584.金風變流器故障解釋手冊(2.5MWI型、3.0MWIV型、PCS05I型)_故障重構(gòu)版,A.5.王云廣.

　　[2] 《 NX_MU_C》Vacon變流模塊手冊.

　　[3] 《 NXP Liquid cooled_brochure_CH》Vacon變流模塊手冊.

　　[4] 《liquid_cooled_MU_chinese 》Vacon變流模塊手冊.

　　作者：河北龍源風力發(fā)電有限公司 宋奇峰 李艷哲

　　來源：《風能產(chǎn)業(yè)》2022.04