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            金風1.5MW機組SWITCH變流器過流故障處理心得

            2022-08-04 來源:《風能產業》作者:河北龍源風力發電有限公司 宋奇峰 李艷哲 瀏覽數:115

            本文主要描述GW77/1500風電機組的SWTICH變流系統在運行期間報過流故障的處理措施。旨在通過對故障現象判斷、故障數據分析等確定具體故障點,減輕人員勞動強度,希望能和大家共同學習交流,文中的不足希望大家予以指正。

               某風電場一期項目采用33臺金風GW77/1500直驅機組,配置倍福主控、SWITCH變流器、SSB變槳系統。項目自2019年投產運行,投運初期機組穩定運行。近些年變流器系統故障率有增加趨勢,其中變流器過流故障給大家帶來很大困擾,下面是在現場維護過程中總結的心得,與大家共同分享,共同提高。

            1、SWITCH變流器基本工作原理

            變流器在風機系統中的主要作用是把風能轉換成適應于電網的電能,反饋回電網。發電機發出交流電,此交流電的電壓和頻率都很不穩定,隨葉輪轉速變化而變化,經過電機側整流單元(或稱INU)整流,變換成直流電,送到直流母排上,再通過逆變單元(或稱AFE)把直流電逆變成能夠和電網相匹配的形式送入電網。

            為了保護變流器系統的穩定,此外還有一個過壓保護單元(CHOPPER),當某種原因使得直流母線上的能量無法正常向電網傳遞時,它可以將多余的能量在電阻上通過發熱消耗掉,以避免直流母線電壓過高造成器件的損壞。

            變流器由芬蘭的TheSwitch公司研制,網側、電機側都采用主動整流方式。變流器整體結構由5個機柜構成,其中核心部件為1#,2#、4#、5#機柜內部的功率模塊,由芬蘭的VACON公司生產。其中2#柜中的單元(1U1)即為網側功率單元,4、5#柜中的單元(2U1.3U1)為電機側功率單元,1#柜中的功率模塊(4U1)是制動單元。

            圖1:金風1.5MW機組主框架圖

            圖2:SWITCH變流器實物圖

              2、變流器模塊的電流采集

              圖3:模塊內部原理圖

              變流器模塊單體由6個IGBT組成,每個IGBT有一個CT作為電流采集單元,把電流量傳送給門極測量板,門極測量板通過插針傳送給驅動板,驅動板通過排線傳送給ASIC板,ASIC板通過光纖傳送給控制盒,控制盒經過內部定值核算,大于觸發值報過流故障,所以過流故障的報出可能會涉及每一環節。

            圖4:模塊電流信號采集回路

              3、故障原因分析

              Switch變流器有自行設計的故障分析軟件NCDrive,變流器故障時控制盒可以保存故障觸發前1400ms至故障后600ms的數據,采樣周期為1ms,NCDrive軟件可以提取故障文件。經分析多臺機組變流器過流故障文件,發現故障規律基本與下圖中故障數據類似。

              直流母線電壓并網發電狀態基本維持在1050VDC左右,ASIC板和Drive板的供電由直流母線供給,當直流母線電壓大于600VDC左右時,兩塊板卡得電,此時變流器模塊的通訊建立,電流信號、溫度信號及驅動信號等由采集回路最終傳遞給控制盒,判斷故障是否觸發。因直流母線電壓在800VDC左右時,IGBT尚未調制,所以應無電流,判斷為“假過流”故障。

              圖5:故障文件數據分析

              4、模塊本體拆解分析

              經拆解變流器故障模塊,通過更換ASIC板和Drive板卡,故障現象并未消除。進一步拆解故障模塊,發現門極測量板與IGBT連接方式為壓接,由彈簧針作為連接橋,傳輸IGBT驅動信號、電流采集信號、IGBT溫度信號等,所以這些信號的可靠性很大程度上依賴于彈簧針的性能。

              本風電場變流器模塊于2009年投運,已運行12年,彈簧針依靠自身彈性,加上通過自身電流的熱膨脹工作在微壓縮狀態,經拆解多臺相同問題模塊,發現門極測量板與彈簧針的壓接已不良好,判斷微變流器模塊的故障原因。

              圖6:門極測量板

              圖7:彈簧針(金針)

              5、解決方案

              針對Switch變流器模塊此類問題,開展深入研究分析,總結出以下兩個針對性方案。

              5.1 門極驅動板維護

              將功率單元沿側面放倒,拆卸IGBT上壓接的門極驅動板,使用防靜電軟毛刷刷去門極驅動板上的灰塵,刷去灰塵后使用無塵布進行清潔,門極驅動板與IGBT金針的接觸面要反復擦拭,去除表面的灰塵與氧化物。

             

             

              5.2 IGBT金針維護

              a)使用無塵布擦拭IGBT表面的灰塵,特別要反復擦拭IGBT金針頂部,去除金針表面的灰塵與氧化物;

              b)檢查IGBT金針頂端與IGBT封裝面的距離,若有距離過短的需要取出相應的金針進行輕微拉伸,消除金針疲勞,確保金針有足夠的彈性。

              6、效果檢查

              通過變流器故障數據的分析可以判斷出是否為“假過流”故障。若為“假過流”,可以通過此處理方案,開展對應性的維護工作。將原來整體更換變流器模塊,優化為開展對應性維護即可。既節約了備件成本,也縮短了停機時長,此方案具備推廣意義。

              參考文獻:

              [1] GW-07FW.0584.金風變流器故障解釋手冊(2.5MWI型、3.0MWIV型、PCS05I型)_故障重構版,A.5.王云廣.

              [2] 《 NX_MU_C》Vacon變流模塊手冊.

              [3] 《 NXP Liquid cooled_brochure_CH》Vacon變流模塊手冊.

              [4] 《liquid_cooled_MU_chinese 》Vacon變流模塊手冊.

              作者:河北龍源風力發電有限公司 宋奇峰 李艷哲

              來源:《風能產業》2022.04

            【延伸閱讀】

            閱讀上文 >> 淺談2MW雙饋風力發電機軸承超溫原因分析及治理
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