变流器并网开关替代改造可行性及故障跳闸问题的研究

刘蕴华

中核汇能有限公司 北京 117000

随着风电行业在我国迅速发展，功率等级的提高，双馈型变流器的装机容量不断增加，空气式框架断路器做为并网开关在早期的一代双馈变流器上应用比较广泛。但是在框架断路器的广泛应用中，发现其在一代变流器上的使用上存在一些的显著的后期维护问题和隐患。变流器小风不断脱并网和变流器故障会使得断路器的分断次数不断增加，限制于断路器的有效分闸次数，变流器的使用寿命会大大折扣。除此之外，早期各个厂家的一代变流器的crowbar模块多为无源的，这样在电网发生故障或者变流器运行中发生故障时，框架断路器本身的合闸和分断时间均相对较长，虽然在变流器过流时起到了一定的保护作用，但是暂态时间内的定子电流冲击很大，对框架断路器的相间绝缘有很大的影响，并且大电流情况下极易引起拉弧。因此在当前风机变流器并网要求越来越高的形式下，不具备竞争优势和后期运维优势。

1 接触器替代分析

1.1 并网开关性能

使用接触器替代框架断路器作为变流器的并网开关，其合闸和分断的能力直接关系到变流器的并网、脱网以及大电流故障脱网的性能优劣。因此对并网接触器的合闸和分闸性能的研究是非常有必要的。针对这两方面的研究，采集了以下几个信号的数据作为分析依据：

（1）断路器合闸24VDC信号。控制接触器合闸的指令信号，采集24V电平，用于判断变流器是否下发了断路器合闸指令，以便于分析断路器从合闸到反馈的时间，判断断路器的性能是否满足使用要求。

（2）分闸指令信号24VDC。区别于接触器分闸指令，该信号是控制并网开关分闸的指令信号，采集24V电平，用于判断变流器控制系统是否下发了断路器分闸指令，以便于分析断路器的分断性能。

（3）并网接触器状态反馈信号。该信号主要用于并网接触器的状态判断，根据控制系统收到的电平高低判断并网接触器处在断开还是闭合的状态。

（4）并网接触器线圈得电信号。该信号为230V交流信号，为并网接触器线圈的吸合电源信号，采集该信号，判断接触器线圈得电时间。

（5）并网接触器线圈失电信号。该信号为230V交流信号，为并网接触器线圈的断开电源信号，采集该信号，判断接触器线圈失电时间。

通过分析上述的数据信号，确立使用并网接触器替代框架断路器后的合闸和分闸时间，从时间上判断其性能是否具备优越性。

1.2 时序测试

（1）正常并网测试。实验条件：为了验证变流器并网接触器替代框架断路器后的合闸性能和并网时序，将早期一代中使用框架断路器作为并网开关的变流器进行改造，用并网接触器去替代变流器原有的框架断路器作为并网开关。保证变流器其他原有的控制逻辑不变。

（2）正常脱网测试。实验条件：风速6m/s左右，风机维持功率300kw左右运行的工况下进行。风机运行中，手动停机，风机无故障脱网，采集变流器的数据波形。分析从监测到分闸指令到收到接触器的断开反馈的时间是否满足性能要求及分断时定子电流、转子电流是否有暂态冲击。

图1 正常脱网波形图

如图1，脱网时变流器收到主控的停机指令后，发出并网开关分闸指令，指令时间504ms左右，指令发出后108ms并网接触器脱开，在此期间，定/转子电流电网电压数据良好，无尖峰突变的现象，测试数据说明使用接触器替代框架断路器在变流器正常脱网时序上满足脱网要求。

2 无源crowbar造成的部分问题

2.1 无源crowbar原理介绍

由于早期电网对低穿标准的要求标准低，一代双馈变流器基本上采用的是无源的被动式crowbar装置。

变流器采用无源被动式crowbar，由二极管整流桥和直流短路晶闸管构 成，当直流母线电压达到保护值时，控制系统触发晶闸管使其导通，从而将转子绕组短路，实现保护转子侧变流器的功能，晶闸管导通后，crowbar回路会和转子绕组一直保持连接状态，待并网开关（框架断路器或者并网接触器）将定子侧与电网完全断开切转子电流衰减为零后，晶闸管恢复阻断状态。从无源crowbar保护电流的控制上看，晶闸管不能自行关断，所以故障发生后，必须将电网和发电机脱开，只能脱网处理。

2.2 直流母线过压故障引起的断路器拉弧问题

采集了变流器运行中直流母线电压故障停机的数据，一并作为跳闸分析。变流器并网运行中，发电机转速1300rpm左右，功率230kw到260kw，运行中故障脱网，变流器直流母线故障停机。

从图2可看到变流器直流母线电压过压故障时，转子马上封锁脉冲，停止调制，同时控制系统发出了分闸信号。在接触器脱开的暂态时间内，定子电流很大，瞬时最大值达到2900A，暂态时间持续84ms左右。97ms后并接触器脱开。暂态时间内如此大的电流对接触器或者框架断路器的性能要求很高，且早前变流器的并网开关采用的是框架断路器，框架断路器的短时过载电流保护阀值Isd和tsd的设置需要参考断路器本身短时过载的脱扣曲线设置，时间设置需要参考断路器脱扣的反时限曲线。一般1.5MW双馈变流器的框断整定保护值设置为：Isd=1.5×In和tsd=0.2s，In=1600A。因此不难得出，出现上述问题时很容易导致框架断路器跳闸，甚至可能触发风机低压侧的箱式变压器的断路器保护开关的整定阀值，导致箱变跳闸。

图2 故障前后转子电流波形

2.3 跳闸原因分析

变流器运行中检测到直流母线过压，触发了被动式crowbar，将发电机的转子绕路短接在了crowbar回路，封锁了转子侧变流器脉冲，此时虽然变流器已经发出并网开关分闸指令，但是断路器或者接触器脱开需要时间，在脱开时间内，电网和发电机始终连接在一起，因此暂态时间内此时定子电流会很大，因为是无源被动式crowbar，变流器控制系统无法控制晶闸管不断开通关断，并且变流器的本身控制策略存在问题，监测到直流母线电压时没有通过控制降低母线电压，任其增大，导致上述结果。受制于变流器的低穿模块设计，暂态时间内无法通过控制减小定子电流。定子电流暂态时间内瞬时很大，极易触发断路器过载跳闸得保护设置条件，从而导致框架断路器跳闸，且频繁故障会导致断路器的相间绝缘降低。

3 结语

本文首先详细分析了对于早期的一代变流器的并网开关，可以使用分断次数较多（约50万次）的大电流接触器替代分断次数较少的框架断路器作为新的并网开关使用，保留框架断路器作为过流保护开关的功能使用。因此对于解决跳闸问题，现场需要解决掉变流器运行中直流母线过压的问题。导致母线过压的问题一般有：母线采样系统出现问题，器件寿命到期或者损坏，造成直流母线电压误检出；也有可能是网功率单元驱动板或者脉冲板出现问题，在网侧调制时，某相电流缺失或者某相电流出现偏置导致调制时母线电压被抬升过压。