ABB-ACS800-67型变频器在风电领域运行稳定性研究

刘文龙

（广西桂冠电力股份有限公司山东分公司，山东 烟台 264003）

1 典型案例分析

华北地区某风电场使用的风机为东汽FD77C-1500型双馈风力发电机组，其配套使用的ABB-ACS800-67变频器，风电场#4风电机组报“变频器脱网、变频器电网错误、变频器错误、变频器未就绪”故障停机，随后风机远程通信中断。此时天气晴；温度4 ℃；平均风速11.5 m／s左右；风向西北。事件发生前全场设备运行正常。#4机组故障前场站母线电压Uab：36.92 kV、Ubc：37.2 kV、Uca：37.1kV；全场总有功17 087 kW；风速：11.2 m／s；#4风机高速轴转速1 745.6 rpm（额定1 780 rpm）；低速轴转速16.6 rpm；功率1 470 kW；电压AB：709.2 V；AC：711.3 V；BC：714.5 V；电流A相1 179.4 A；B相1 217.6 A；C相1 183.4 A；三面桨叶：0.8°[1]。

现场检查发现风机UPS电源开关F16跳闸、变频器控制电源开关F11跳闸、变频器网侧模块外观有烧坏痕迹、网侧模块800 A直流保险动作、并网柜400 A和200 A保险动作。使用调试电脑读取变频器报“ISU TRIP”网侧跳闸、“ISU OVERCURRENT”网侧过流、“ISU MAIN BR FLT”网侧主接触器故障。拆除损坏的网侧功率模块发现，三相IGBT均已经损毁，附带周边控制板件烧坏严重。

排查网侧功率模块烧坏原因，发现充电K1主接触器存在粘连现象，拆除接触器后无法打开，动静触头已经粘连严重，无法分离。检查LCL滤波电容鼓包。更换新ISU网侧模块，并更换LCL滤波电容和K1接触器，更换熔断器，检查充电回路无异常后做充电试验正常。随后对变频器做零速试验，判断变频器在发电机静止状态下启动是否正常，零速试验正常通过，说明变频器已恢复正常运行，监控启动并网恢复正常。变压器零速试验正常波形如图1所示[2]。

图1 变压器零速试验正常波形

2 原因分析

模块内部NRED稳压电阻损坏，造成IGBT炸机损坏。该风场使用的NRED稳压电阻运行年限近十年，老式NRED持续运行在较差环境下，容易损坏并引起IGBT的损坏。

IGBT自身绝缘降低，造成炸机损坏。IGBT在长达十年的运行周期后，其自身绝缘也会存在降低现象，个别IGBT甚至存在裂化趋势，存在绝缘值偏低或裂化趋势的IGBT在运行中极易造成炸机现象。

电容内部故障或损坏。若电容器内部故障或阻值偏低也会造成K1接触器触头发热，长期运行会造成粘连，变频器网侧模块无法脱网，过流造成IGBT模块炸机，进而造成事故的扩大化。

散热效果不佳，造成模块内部过热IGBT损坏。检查中发现该风电场功率模块散热风扇在运行中存在异常声响，根据散热风扇的使用寿命，这些风扇大都需要保养，严重的需要更换，继续使用会严重影响模块内部部件，尤其是IGBT的散热效果。模块散热不佳也会造成损坏。

K1主接触器粘连。若K1主接触器粘连，会造成变频器网侧模块无法脱网，过流造成IGBT模块炸机，同时与网侧模块同一回路相连部位800、400、200 A保险动作。具体主接触器粘连原因分析如下。

第一，动静触头磨损严重，间隙过大，在加之当日风机满负荷运行，长时间吸合，触头温度高，接触器面接触电阻越来越大，造成接触器粘连。由于烧坏的接触器动静触头已经粘连，无法打开，不确定原动静触头磨损情况。

第二，接触器线圈电源异常，电源电压太低（低于额定85%），导致线圈磁系统吸力不足而造成触头反复振动，发生电弧熔焊，接触器粘连；检查接触器线圈电源由UPS电源供给，此风机UPS电源运行正常，分析是否与电网谐波分量过大，造成接触器线圈绝缘故障，满负荷情况下脱开瞬间，接触器烧坏粘连，查看当日电能质量，电压谐波2、3、4、23、25次不合格，电压不平衡度3.36%，不合格，总谐波电压畸变率19.76%。

第三，接触器弹簧反作用力过强会造成吸合过慢或吸合不紧，加之当日风机满负荷运行，长时间吸合，触头温度高，接触器面接触电阻越来越大，造成接触器粘连。由于接触器已粘连严重，无法拆除，不确定弹力弹力是否正常。

3 稳定运行优化方案研究

3.1 优化升级改造NRED压敏电阻，提高供电可靠性

风力发电机通常安装在恶劣的环境下，并有着其应用的特殊性；风机通常安装在多沙尘、寒冷、高温高湿和多盐雾等恶劣的环境中；风机的频繁切入、切出；风场所处的电网环境不稳定，电网故障和负荷调节等产生欠电压和过电压。这些都给风机各个部件的可靠性运行带来挑战[3]。

对于频繁切入和切出的风机，由于变频器的快速充放电、高温的环境、电网故障和负荷调节等产生的欠电压和过电压，会加剧NRED稳压模块温度的变化，可能会致使损坏。

NRED稳压模块取自模块的直流电压稳压后供给APOW电源板，经过APOW电源板给AINT等提供±24 V电源，AINT板控制着IGBT的调制及驱动供电；NRED在IGBT调制时出现损坏，会引起IGBT调制的失控导致IGBT损坏，进而引起炸机情况出现。

从改善风电变流器运行可靠性着手，优化NRED升级方案是首先考虑的问题，可将NRED升级改造为具备过流保护的组件，前端加装熔断器稳定电流输入输出。通过改造，该风电场未发生过因NRED故障造成功率模块损坏事件[4]。

每季度对变频器电容、K1主接触器触头磨损情况、弹簧弹力进行检查，发现异常及时更换。

3.2 优化功率模块散热风扇启动方式

对风扇启动电容进行升级，增大风扇启动电容，确保风扇启动顺畅。功率柜散热风扇应每季度进行一次检查，测试其抽风强度。同时对功率模块内部过滤棉进行定期更换（1次/年）。

3.3 优化UPS供电可靠性，定期检查风机UPS电源

风电机组运行年限超过十年需定期关注风机塔基UPS电源，即变频柜内UPS装置，蓄电池报警需及时更换，在ACS800-67变频器中UPS作为变频器主电源，必须保证其供电可靠性，否则瞬时断电会对变频器主控程序造成冲击，避免造成重大故障发生。

3.4 优化变频器整体运行环境

针对风电变频器运行条件恶劣，多数处在沙尘、寒冷、高温高湿和多盐雾环境中，尤其夏季ACS800-67变频器多数会出现超温停机，冬季会因低温保护不启动，严重影响设备运行的可靠性。结合几年的摸索并借鉴国内主流变频器的散热模式，采用对变频器进行加装空调的模式，使其持续运行在恒定的环境温度下，保证变频器的运行可靠性，从而提高设备可靠性和风机利用率。

3.5 优化风机并网结构，加装并网接触器

该ACS800-67型双馈风力发电变流器原设计采用并网断路器实现风机并网、脱网及保护，在实际运行过程中，由于并网开关频繁动作，并网开关易造成操作机构卡涩导致风机设备损坏。通过定子接触器方案设计后，可实现正常并网、脱网由定子接触器完成。保护原定子断路器，作为保护和电气开断。实现选择性分断，通过对定子电流的测量和软件功能，在定子出现较大电流时的脱网由定子断路器来执行。冗余脱网保护，在定子接触器失效时，软件将及时执行断路器脱网。改造升级后，将大大降低定子断路器的动作次数，从而延长其使用时间，并确保风机运行的安全性和可靠性。该案例已成功在华北地区某风电场实施。

3.6 优化ACS800-67变频器远程监控功能

由于现有的ABB-ACS800-67变频器不具备远程监控功能，风机在报变频器故障时，无法查看详细故障，造成消缺工作滞后，有时会造成故障的误判。为优化变频器安全稳定运行可在变频器控制端加装通信交互模块，接入风机环网，通过风机环网接入后台风机SCADA监控，这样可大大缩减变频器故障分析的时间，提高消缺速率。目前在华北、华东地区几个风电场已成功实现远程监控，效果显著[5]。

4 结 论

综上研究，ABB-ACS800-67型变频器虽然适用于早期风电领域运行要求，但随着电网要求不断提升，ACS800-67型变频器问题越来越突显，该变频器的运行稳定性研究至关重要。本文通过实例和风场实践提出了优化方案。通过优化改造NRED、加装并网接触器、优化散热风扇启动方式、优化UPS电源供电、优化变频器运行环境和远程监控等多途径、多角度阐述如何提升ACS800-67型变频器的运行稳定性，以满足生产要求。