周晓东

摘要：本文首先分析了双馈式异步发电机的构成和原理，接下来详细阐述了以案例形式详细阐述了波形分析在风电机组变流器故障处理中的应用，希望通过本文的分析研究个，给行业内人士以借鉴和启发。同时希望为我国波形分析在风电机组变流器故障处理中的应用的探讨献言献策。

关键词：风力发电;变流器;故障处理;波形分析

引言

风能被称为清洁的绿色能源，随着许多研究工作的进行，越来越多的高效风电机的开发，使世界上大多数国家都能获得这种清洁能源。此外，它的可靠性也非常重要，无论它是否将在规定时间段内遇到的给定条件下有效地执行其功能。从以前的文献中可以看出，大多数情况下，各种故障发生在叶片/变桨机构、变速箱系统、发电机、动力变流器、偏航系统、液压系统。目前，大型风力发电机的发电功率约为6MW，用于近海和海上风力发电场。发电机组和电力变流器，在风力发电的整体可用性中起着非常重要的作用，因为如果电力变流器发生任何故障，它可能会关闭整个风力发电，因此这些电力变流器的可靠性在整个风电机组的停机中是非常重要的问题。根据风电机组的大气条件和额定容量，风电机变流器可采用两级开关变流器、三级开关变流器和多级开关变流器等不同的拓扑结构。对于变速风力发电机，传统的变流器没有得到优化，因为在较低风速下，由于产生的电压降低或共振变流器中的某些循环电流降低，它们的效率很低。在低速时产生的电压较小，因此变流器的效率也会降低，但借助不同的开关技术，即使在低电压时也可以提高变流器的效率，并保持高输出电压。

1双馈式异步发电机的构成和原理

1.1构成

变速恒频双馈式异步风力发电机的结构与异步式发电机的结构基本一致，都包括转子、电刷及滑环。异步式发电机中，转子可通过侧入方式进入电机内部，并进行电流传输。此传输方式不仅提高了电能传输的效率，而且可稳定异步式发电机的交流定频。双馈式异步发电机是由一台带电环的定子、变流器及异步电机共同组成。变流器主要通过交换电流输出电流，在整体变流中的工作路程是不可逆的。变流器与集成电环相连，保证转子在交流电路中以直流电的形式输送电能，然后在交换机中进行交流转化，经平波电抗系统过滤后，对干扰因素和可逆电流进行回流，最终返回到电网。这一过程就是双馈式异步发电机向电网输送功率的具体过程。

1.2基本原理

由于双馈式异步发电机的转子和定子在进行发电时，相较于空间内的磁场，其相对位置是静止的，因此当电机频率不变时，定子频率发生改变，与转子之间的相对关系仍成立。发电机的转速与定、转子的电流频率关系公式为：

其中，f1为定子的电流频率，单位为Hz;f2为转子的电流频率，单位为Hz;N为转子转速，单位为rmin-1;P为发电机的磁极对数;N1为同步转速。由式知，若发电机的转速发生改变，需调节转子的频率，以保证定子的频率不变。为保证与电网相同的频率进行电力输送，恒频的控制需以调节转子的电流频率实现。由于转子的运动速度与发电机的转速不同，可将双馈式发电机的运行状态简单分成同步运行状态、低速同步状态和超速同步状态。双馈异步发电机与电网之间的连接采用柔性连接。在发电机内部，定子与外部发电网络直接相连，利用环状磁场抵消内部的磁场力量，并通过控制转子的相应流速、位置以及频率等物理特征控制发电机的相应参数，最终实现变速恒频控制。双馈式异步发电机的并网过程：先启动风力发电机组，由于初始速度较低需进行物理辅助;当转子在回路中产生的电能足够推动自身运转时，实现与电网内部的电压同步，最终实现风力发电机快速与无电流冲击并网。双馈式风力发电机由电力磁场的相互作用实现发电，可变性较高，在相位、相序、頻率及增幅方面均可实现动态调节，但在频率调节方面需精准控制。由于风力发电的转数随风变化，可进行双馈式发电，以保障所产电能频率稳定。改变电流的增幅和相位关系，可改变电网中的电压和发电机中定子和转子之间的关系。两者之间的相位角随发电机发电功率的改变而改变，最终实现发电机有用功和无用功的动态调节。

1.3变流器的构成及工作原理

变流器是实现电流调解的仪器，主要包括主电路系统、智能控制系统、集成电路以及配电系统。各个系统又包括很多模块，大致分为定子开关模块、整流稳流模块、输入输出模块、滤波器模块、防逆变模块、电流传感模块、散热风机模块、有线监控模块及中控模块等。变流器的主电流系统包含转子侧逆变单元、电网侧整流单元及直流母线单元。变流器的基本工作原理是将双馈式异步风电机中的定子产生的电能通过变流的方式接入到电网中，实现电力的输送。电力输送过程中，需确保定子是围绕其中一个变频的交流三相电源进行相关作业，从而带动另外几个转子运动。此发电方式可最大限度实现交流的励磁效应，促进额定功率的增长。当负载产生的变化导致转子的转动频率发生改变时，可改变励磁电流的运动频率，促使整体输出电流的频率仍满足额定需求。风力发电机所发电能需与电网的输送频率相同，以实现恒频发电。当风电机处于超同步工作状态时，网侧变流器处于逆变状态，转子侧变流器则处于整流状态，转子回路通过变流器向电网输送工频电能。当风电机处于亚同步工作状态时，网侧变流器处于整流状态，转子侧变流器则处于逆变状态，电网通过变流器向转子回路输送电能。

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。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（Q10）并未动作，而故障时电网也无故障。各开关的动作顺序：首先动作了Gen.CB，即并网开关（Q10）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Micrologic，且故障中Q10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。

2.2故障处理

更换主接触器后故障排除

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。

参考文献

[1]杨校生.风力发电技术与风电场工程[M].北京：化学工业出版社，2012.

[2]惠德畅.基于主被动技术融合的风电机叶片结构健康监测技术研究[D].导师：王强.南京邮电大学，2016.

[3]姜韬韬.地区电网接纳海上风电能力研究[D].导师：武小梅.广东工业大学，2015.