风机变流器监测及诊断技术研究

郭盼梁

（国家电投集团湖北电力有限公司风电分公司）

0 引言

风力发电为节省成本，通常在近海、山区、草原等地设置风力发电场，其与火力发电不同，机组数量几十上百，且每台机组相距较远，对集控室要求较高。而风机变流器是电力调频输出的重要部分，由于所处环境恶劣，油污脏水、高温湿热、强电磁干扰，加上自身电路复杂，需承受大电流、高电压状态，容易发生故障，未能及时处理将会造成机组运行异常，影响风场生产。为保证风电场效率，提高设备安全性，需开发风机变流器监测和诊断系统，迅速获得故障信息，减小停机与维修影响。

1 风机变流器结构原理

风机变流器采取三相电压型交-直-交变流器技术，对双馈异步风力发电机转子励磁，使其定子侧电压输出频率、幅值、相位和电网相同，根据需求独立解耦控制无功有功［1］。风机变流器由配电系统、主电路系统、控制系统构成，零部件有整流模块、并网开关、输入/输出滤波器、逆变模块、风机、电流传感器、监控界面、控制器等。见图1。

图1 风机变流器

2 风机变流器监测平台

2.1 平台组成

风机变流器在监测过程中，采取相应监测系统，负责实时传输、显示变流器数据，使得人员能够在界面上查看变流器情况，按时间将数据存储于数据库内［2］。数据库以硬盘为载体，以CSV形式保存文件，通过文件时间与数据类别相结合分类保存。

2.2 监控系统

风机变流器监测中，根据现场设备特点，以C/S架构为系统架构，主要是涉及软件下发命令，由于风场内部网络运行，命令不正确会损坏变流器，能够提高数据监控速度［3］。监控系统为两部分，一部分是变流器及数据前端，另一部分是上位机软件。

2.3 通信系统

网络通信是连接风机变流器与监控软件的桥梁，支撑现场数据与软件实时通信，根据变流器协议设计。监控系统实时传输数据，基于TCP/ⅠP网络层协议，利用TCP协议实现通信，两侧网络端口为通信介质，每隔一段时间，软件向前端发送数据报文，前端获得报文后，转发至监控软件，软件收到后返回结束报文，完成数据传输工作。

2.4 显示界面

界面有自定义工具栏，悬浮于界面上，不会随着界面变化进行变化，工具栏可实现日志显示与视图切换。

总界面设计中，作为上位机监控软件界面，负责监控风机变流器，是使用最多界面，要求显示更多信息，进行良好规划，做到杂而不乱，便于人员迅速定位。根据该要求，确定将风机变流器网络情况、基本指标、风机编号、工作状态等集中至1个图元显示，其尺寸固定，进而根据界面窗口、风机数量，确定图元列数与行数［4］。而图元各要素中，左上角是风机状态，实时更新风机停转、网络通信情况，采集数据状态。右侧指标标注了关键风机数据，包括风机转速、无功功率、有机功率等。

实时数据界面，由于风机变流器数据较多，未能组织规划，将无法及时获得监测数据，且会造成视觉疲劳。为此，监控界面中文化，分为转子侧、定子侧、系统侧、开关状态、温度、网侧，分别分组显示。

3 风机变流器诊断技术

3.1 三相智能功率模块诊断

智能功率模块（ⅠPM）是变流器功率部件，存在于卸荷回路、网侧、机侧，封装了保护电路、驱动电路、绝缘栅双极晶体管，简化了功率驱动电路。该故障表现为过温、欠压、桥臂过流，功率驱动电路中必须保护电路，利用ⅠPM保护功能，提高其可靠性［5］。通常ⅠPM保护电路能够为系统提供过温保护、过流保护等功能，且设置相应封装电路模式，基本结构是三相桥臂，含有徐柳二极管，内置驱动电路、报警输出单路和保护电路。

ⅠPM可用于单相及三相电路之中，用户仅需在主接线端，连接电源与负载端，即可为模块提供能源及驱动信号，确保电路正常工作。并且，光耦外围电路也能生成驱动信号，增强模块性能。但是，在模块运行中，ⅠMP内部尽管采取一定方案隔绝噪声，却由于噪声强度、种类均有所不同，如果超出防护范围，将会造成误动作，或是设备零件损坏的情况。而自集成限流保护功能如果检测到误动作后，确定电机电流较高，后续则难以确定续流二极管情况，如果电流过高，也难以进行保护。为此，ⅠPM不仅要设计自集成保护，为确保运行安全可靠，应当在主电流部分，安装阻容保护、熔断器保护。此外，风力发电系统中，ⅠPM还容易出现电压或电流过高情况，瞬间电流过大，超出正常温度，运行功率较大，也会烧毁功率开关管，甚至难以修复。功率元件被损伤后，电路结构也会产生变化，影响发电功率、频率。并且，二极管或功率管产生开路故障，长期运行将会彻底损坏系统部件，导致系统崩溃。因此，在故障检测诊断中，需利用温度传感器，实时检测ⅠPM模块是否出现温度超限值情况，且在反并联二极管损坏前，快速切断短路电流，避免故障。

3.2 熔断器诊断

风机变流器系统中，网侧LCL电容熔断器、预充电容断器、卸荷回路熔断器、直流母线熔断器等均使用熔断器，如果出现短路情况，则无法过流时将连接回路断开，或是失效后，线路也无法正常连接。在使用熔断器时，由于外界环境与电流影响，其由石英砂、玻璃、陶瓷、熔丝材料构成，不可避免会产生老化。而玻璃、陶瓷物理化学性质较为稳定，熔断器老化多是电极、熔丝老化。熔断器数量较多，难以通过全部检测对老化情况进行诊断，且一旦出现熔断，无法检定是熔断器老化误动作还是电路遗产熔断，存在重大安全隐患。为此，在故障检测诊断中，在监测系统中将每个熔断器材料老化限值输入其中，确保达到限值前，系统自动提醒工作人员，使得人员检查熔断器老化情况，进而更换维修，保证熔断器质量。并提取最高温度值，与邻近同类型熔断器比较，通过超声波检测技术，检测其接线端子是否局部放电。熔断器诊断技术应用后，其经济效益显著，第一，减少故障停机时间，经技术监测得知风机变流器系统熔断器的运行状态，一旦发现异常，及时传递报警信息，提醒工作人员前来处理，缩短故停时间，让熔断器尽快投入使用。熔断器诊断技术使用后，故障停机时间整体上缩短1h到1.5h。第二，减少能源耗量。熔断器诊断技术及时投用，能够降低能源消耗，减少碳排放量，进而扩大企业利润空间，并提高企业社会效益。一般来说，当熔断器诊断技术充分应用，能够减少碳总排放量的2%左右，即减轻环境污染，为新能源市场发展而助力。

3.3 电抗器诊断

风机变流器机侧与网侧存在电抗器，容易出现绕组开路、温度过高等情况，产生故障。此过程中，温度由于是缓慢提升，难以迅速捕捉温度提升的信号，变流器不会立即停止工作，发送故障通知，仅在温度提升至阈值后，直接发送信号，确定是否停运。同时，变流器控制计算机面对过温故障存在一定时间间隔，相应时间内停机信号未发出，也会自行停机，停止变流器，维护电抗器正常运行。所以，为维护电抗器，需在监控系统内构建温度模型，对其过载、过流等信息进行预判，如果出现温度逐渐上升的问题，则考虑降额运行。

电抗器实际运行中，如果电路过流、过压等，会对电抗器造成损坏，运行电流长期低于额定电流，主要是由于电抗器线圈与电流引入线出现密封开裂问题造成，与过电压、过电流无关。并且，电抗器运行环境也会对其造成影响，工作温度较高，外部绝缘材料会逐渐损坏、开裂，进而对其造成影响，需要根据材料寿命，以不快速老化的容许温度为耐热等级，计算极限温度下材料老化速率，利用监控平台进行实时监控，安装红外热成像技术，评估温度分布的同时，使用超声波检测查看是否受潮或绝缘破损，确保电抗器运行正常。此外，基于电抗器诊断技术及时发现问题，针对故障类型制定相应的处理措施。例如，某变电站安装10kV电力电抗器，额定电压10kV，额定电流50A。利用在线监测系统（温度模型）收集电抗器的运行数据，包括电压、电流、温度、振动等，之后对数据清洗、整理和归纳，形成数据集。接下来运用数据预处理技术，对异常数据进行处理，如去除离群值、填补缺失值等。发现电抗器存在线圈松动、绝缘层老化的问题，通过线圈加固、绝缘层更换对电抗器修复。最后对电抗器性能评估，结果显示，电抗器电抗率为6%，且绝缘耐热等级F级，额定绝缘水平3kV/min，均达到了设计要求，最终电抗器正常运行。此外，诊断技术的有效应用，还能预防故障发生。

3.4 传感器诊断

风机变流器传感器故障是工作一段时间后，传感器某瞬间偏离工作状态，分为缓变型故障与突发型故障（周期型故障、尖峰型故障、偏置型故障、漂移型故障等）。传感器如果处于非正常状态，输出瞬变，变化尽管较小，却涵盖传感器故障信息，引发信号突变。根据传感器信号动态性特点，确定突变点是信号奇异点，利用小波变化模拟的方法，确定信号奇异点的极大值，及各频率信号，确定传感器故障中，某种或几种频率能量变化，提取特征后，即可明确传感器故障情况。并且，在传感器诊断中，需要先对其故障与否加以判断，进而确定故障位置，方能隔离相关传感器。由于传感器输出信号是根据正常数值突变后，生成阶跃信号或尖峰脉冲类型，通过监控平台，统计传感器噪声特性，结合日常运行要求，设置门限值，如果超出门限值，参数显示于屏幕上进行预警，即可判断某传感器故障，对其隔离。

3.5 电容器诊断

直流母线电容与滤波电容是风机变流器重要电容器件，失效模式体现为漏电流过大、电容值降低。正常运行电压与工作温度下，漏电流与电容器发热小，如果电容器劣化，会逐渐增大漏电流与温度。为此，可利用红外线检测技术，判断温度变化趋势及分布规律，检测电容器潜在漏电流超标故障，针对性安排维修。举例来说，某大型工厂的电力系统进行红外线检测时，发现一台电容器表面温度异常高，达到了158℃。经过进一步检查，发现该电容器的内部出现了严重的短路故障。由发现时间早、措施应用得当，避免了设备损坏和系统停机，降低了维修成本，止损折现约7000元。

4 结束语

综上所述，风力发电系统运行中，传统监测主要是以来人员现场操作，产生故障后需要人员到达现场，利用笔记本电脑与串口连接获取数据，效率较低，难以准确监控风机变流器情况。因此，在风机变流器运行中，应当结合实际情况，需设计监控平台，配合恰当的三相智能功率模块、熔断器、电抗器、传感器、电容器故障诊断技术，确保风电设备安全，进而迅速排除故障，减少维修次数，提高生产效率。