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變流器作為風力發電機組的核心部件,且多為純進口型,故障處理效率直接影響到發電效率。通常,運維人員在故障處理時多憑借經驗,通過更換相關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,首先要熟知雙饋異步風力發電機組的運行原理,其次要對變流器工作原理和并網時各元器件動作過程熟練掌握。在此基礎上,充分利用變流器自帶的故障錄波功能,對記錄的故障波形進行分析,快速查找出故障點,恢復機組運行,故障處理效率則大為提高。
1雙饋異步風力發電機組工作原理簡介
風力發電機組是風輪捕獲風能,經過齒輪箱增速驅動發電機轉動進行發電的設備。雙饋異步發電機是在發電機轉子中施加三相低頻交流電實現勵磁,通過變流器調節勵磁電流的幅值、頻率、相序,確保發電機輸出功率恒頻恒壓。發電機為三相繞組式異步發電機,定子繞組直接與電網連接,轉子繞組通過變流器與電網連接。
圖1為風電變流器主電路結構圖。機側變流器根據當前的發電機轉速(發電機轉速由當前風速大小決定)向轉子繞組饋入所需的勵磁電流,完成定子磁鏈定向矢量控制任務,實現最大風能捕獲和定子輸出有功/無功的調節。
要實現風力發電機組的變速恒頻運行,從機側變流器饋入轉子繞組的勵磁電流頻率f2須滿足式(1)的條件:
式中,f1為定子電流頻率,與電網頻率相同(50Hz):p為發電機極對數:fm為轉子機械頻率,fm=n/60(n為發電機轉速):f2為轉子電流頻率。
(1) 當n小于定子旋轉磁場的同步轉速ns(s為轉差率)時,發電機處于亞同步運行狀態,式(1)取正號,此時變流器向發電機轉子提供交流勵磁,發電機由定子發出電能給電網:
(2) 當n大于ns時,處于超同步運行狀態,式(1)取負號,此時發電機由定子和轉子同時向電網輸送電能,即雙饋:
(3) 當n等于ns時,處于同步運行狀態,f2=0,變流器向轉子提供直流勵磁。
因此,當發電機轉速n變化時,即pfm變化,若控制f2相應變化,可使f1保持恒定不變,即與電網頻率50Hz保持一致,也就實現了變速恒頻控制。
2波形分析故障案例
某風電場#2風機報變流器系統故障,遠程可復位,下載變流器故障時刻波形,借助波形分析方法快速定位故障點。
2.1機組并網時動作過程
并網開關電氣接線圖如圖2所示。
(1) 發電機轉速達到并網轉速,DC-1ink電壓上升:
(2) DC-1ink電壓上升至1000V,停止勵磁接觸器K3斷開:
(3) sU發出勵磁信號,勵磁開關03閉合:
(4) sU、HU檢測到電網無故障(K34閉合狀態):
(5) 網測接觸器閉合(K27閉合):
(6) IGBT開始工作(K29閉合):
(7) 并網輔助接觸器閉合(K7閉合):
(8) 并網主接觸器閉合(K1閉合):
(9) 并網(010閉合)。
2.2故障波形分析
下載故障時刻波形,依次調出發電機轉速波形、有功功率波形、三相定子電流波形、定子電壓波形、轉子電流波形,確定故障相。再逐一分析故障相各波形變化。
由圖3波形可看出,故障前A相ILsC(輸入IGBT的電流)、IMsC(勵磁電流)和Istater(并網電流)均處于正常狀態:在故障時刻Istater(并網電流)突然為零,而ILsC和IMsC波形發生了畸變,說明并網回路在此刻斷開。現場查看發現并網開關(010)并未動作,而故障時電網也無故障。
從圖4可以看出各開關的動作順序。首先動作了Gen.CB,即并網開關(010)或并網主接觸器(K1)。從現場處理情況看,因先后更換了欠壓線圈和微控制器Micro1ogic,且故障中010未動作,可排除并網開關損壞的可能。判斷造成故障的原因為并網主接觸器K1損壞。
機組報出變流器系統故障(M10),復位后機組可正常運行,但在高負荷時報出同樣故障。判斷并網主接觸K1可能在高電壓沖擊下發生接觸不良的情況,因而在高負荷時出現異常斷開現象。
2.3故障處理
更換K1主接觸器后故障排除。
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