波形分析在风电机组变流器故障处理中的应用

1双馈异步风力发电机组工作原理简介

风力发电机组是风轮捕获风能,经过齿轮箱增速驱动发电机转动进行发电的设备。双馈异步发电机是在发电机转子中施加三相低频交流电实现励磁,通过变流器调节励磁电流的幅值、频率、相序,确保发电机输出功率恒频恒压。发电机为三相绕组式异步发电机,定子绕组直接与电网连接,转子绕组通过变流器与电网连接。

图1为风电变流器主电路结构图。机侧变流器根据当前的发电机转速(发电机转速由当前风速大小决定)向转子绕组馈入所需的励磁电流,完成定子磁链定向矢量控制任务,实现最大风能捕获和定子输出有功/无功的调节。

要实现风力发电机组的变速恒频运行,从机侧变流器馈入转子绕组的励磁电流频率f2须满足式(1)的条件:

式中,f1为定子电流频率,与电网频率相同(50Hz):p为发电机极对数:fm为转子机械频率,fm=n/60(n为发电机转速):f2为转子电流频率。

(1)当n小于定子旋转磁场的同步转速ns(s为转差率)时,发电机处于亚同步运行状态,式(1)取正号,此时变流器向发电机转子提供交流励磁,发电机由定子发出电能给电网:

(2)当n大于ns时,处于超同步运行状态,式(1)取负号,此时发电机由定子和转子同时向电网输送电能,即双馈:

(3)当n等于ns时,处于同步运行状态,f2=0,变流器向转子提供直流励磁。

因此,当发电机转速n变化时,即pfm变化,若控制f2相应变化,可使f1保持恒定不变,即与电网频率50Hz保持一致,也就实现了变速恒频控制。

2波形分析故障案例

某风电场#2风机报变流器系统故障,远程可复位,下载变流器故障时刻波形,借助波形分析方法快速定位故障点。

2.1机组并网时动作过程

并网开关电气接线图如图2所示。

(1)发电机转速达到并网转速,DC-1ink电压上升:

(2)DC-1ink电压上升至1000V,停止励磁接触器K3断开:

(3)sU发出励磁信号,励磁开关03闭合:

(4)sU、HU检测到电网无故障(K34闭合状态):

(5)网测接触器闭合(K27闭合):

(6)IGBT开始工作(K29闭合):

(7)并网辅助接触器闭合(K7闭合):

(8)并网主接触器闭合(K1闭合):

(9)并网(010闭合)。

2.2故障波形分析

下载故障时刻波形,依次调出发电机转速波形、有功功率波形、三相定子电流波形、定子电压波形、转子电流波形,确定故障相。再逐一分析故障相各波形变化。

由图3波形可看出,故障前A相ILsC(输入IGBT的电流)、IMsC(励磁电流)和Istater(并网电流)均处于正常状态:在故障时刻Istater(并网电流)突然为零,而ILsC和IMsC波形发生了畸变,说明并网回路在此刻断开。现场查看发现并网开关(010)并未动作,而故障时电网也无故障。

从图4可以看出各开关的动作顺序。首先动作了Gen.CB,即并网开关(010)或并网主接触器(K1)。从现场处理情况看,因先后更换了欠压线圈和微控制器Micro1ogic,且故障中010未动作,可排除并网开关损坏的可能。判断造成故障的原因为并网主接触器K1损坏。

机组报出变流器系统故障(M10),复位后机组可正常运行,但在高负荷时报出同样故障。判断并网主接触K1可能在高电压冲击下发生接触不良的情况,因而在高负荷时出现异常断开现象。

2.3故障处理

更换K1主接触器后故障排除。

3结语

变流器作为风力发电机组的核心部件,且多为纯进口型,故障处理效率直接影响到发电效率。通常,运维人员在故障处理时多凭借经验,通过更换相关元器件的方式来查找和排除故障,这种方法效率较低。而采用波形分析方法排查故障点,首先要熟知双馈异步风力发电机组的运行原理,其次要对变流器工作原理和并网时各元器件动作过程熟练掌握。在此基础上,充分利用变流器自带的故障录波功能,对记录的故障波形进行分析,快速查找出故障点,恢复机组运行,故障处理效率则大为提高。