风力发电系统中变频器的故障诊断探究
摘要：变频器在风力发电系统中所起到的作用是不可替代的。而当前变频器容易出现故障的现象给风电行业的发展带来了很大的阻碍，影响风电机组的正常运行，故障现象的危险性相对其它风电机组电器设备较高，因此应对其进行更加深入的分析和研究。就此，笔者结合实际工作经验，以风力发电系统的简介和变频器原理为切入点，着重分析变频器故障诊断技术与故障，并提出提高其故障诊断水平的措施进行探讨。
关键词：风力发电系统；变频器；故障诊断；技术措施
1.引言
随工业技术及社会发展的快速崛起，资源的可再生性和可持续性成为资源利用率和自愿选择的关键因素。风力资源作为一种清洁且可再生的资源，其被认可和利用的范围越来越广泛，对我国电力供应紧张、环境污染、资源浪费等局面起到了十分重要的缓解作用。因此，如何通过对变频器的使用和调整更好地促进风力发电系统的发展，是当前相关部门亟待解决和提高的问题。
2.风力发电系统简介及变频器原理
2.1风力发电系统简介
当前风力发电系统包括多种风力发电机，最常用的主要是双馈异步式、鼠笼异步、永磁同步发电机。风力发电系统的工作原理是将风的动能转化为机械能，再转化为电能的过程，具有极高的减少环境污染的可持续性。风力发电机的工作原理较为简单。
2.1.1现将双馈异步发电机原理简单介绍如下：
双馈异步发电机有定子和转子两套绕组，定子绕组与电网直接相联，转子绕组经过变频器连通电网。变频器调节发电机转子电流的大小和频率，实现发电机定子输出的电压和频率与电网保持一致。其优点为：①变频器功率小于发电机额定功率的30%。变频器容量小，成本低。②发电机转速范围为：同步转速+/-30%。变速恒频，实现最优风能捕获。发电机原理如下图：
2.2变频器原理
2.2.1变频器是由一套完整的变频装置来完成变频任务，从而使电力系统稳定发电的装置。变频器由整理电路、电容C1、变压器、Chopper电阻、霍尔元件及电源板、驱动板等重要元件构成，采用交流电—直流电—交流电的转换原则将直流电源转换成电压和频率都可以控制的交流电源以供给电动机。变频器的主电路主要包括整流部分、直流环节、逆变环节、制动以及回馈等部分。
2.2.2现将双馈发电机系统简单介绍如下：
双馈发电机的定子侧和转子侧都参与电网的能量交换。①在定子一端，双馈电机通过一个同步接触器连接到690V电网上，也就是主变压器690V二次绕组。②在转子一端，机侧变频器控制双馈电机转子绕组提供适当的转子电压和频率。转子侧的转差功率通过另一个变频器-网侧变频器输入或输出至电网。③网侧主滤波器实现电网电压与变频器侧开关电压的有效隔离及电流谐波的控制。④当电力系统故障或扰动导致电压跌落时，风电功率无法注入电网，导致连接机侧和网侧变频器的直流环节的电容电压升高，采用Chopper电阻消耗多余功率实现过压保护。变频器原理如下图：
3.变频器故障诊断技术与变频器故障
3.1变频器故障诊断技术
变频器的故障诊断技术主要通过适当方式对变频器内部元件的工作状态和运作性能进行分析检查来诊断是否出现问题的技术手段。当前变频器故障诊断技术主要有快速检测电路、数据采集比对、基于小波分析的故障诊断等方式。快速检测电路的诊断方法主要通过将变频器和电动机单个器件进行参数对比，判断是否异常，此方法准确率较低；数据采集比对则主要通过计算机系统的检测和虚拟仪器来进行故障诊断，较为精准但适应环境的能力亟待加强；基于小波分析的变频器故障诊断则能够进行较为精准的故障定位，检测方便，但操作能力要求也相对较高。总的来说，不同故障诊断方式各有利弊，应根据实际情况进行选择和结合使用。
3.2变频器故障
变频器故障可理解为风力发电系统中至少有一个重要特性或变量偏离了正常范围和轨道，从而使系统运作出现异常的现象。其故障按照不同分类方法可进行简单划分，例如按照故障发生的性质可分为永久性故障和偶发性故障两种，永久性故障主要指的是某种原因导致故障现象一直存在的类型，而偶发性故障则指故障发生随机、无规律可言，例如外界干扰信号引起的控制逻辑混乱；再比如按照故障发生时间可分为老化性故障、突发性故障和间歇性故障三种。老化性故障主要在设备运行寿命后期出现的零件老化使系统运作不灵敏的现象，突发性故障则往往指的是突然发生使设备丧失功能的故障类型，间歇性故障则指表现为故障问题的出现时有时无的故障类型。
4.提高变频器故障诊断水平的措施
4.1做好变频器日常维护工作
应当定期安排工作人员对变频器进行巡视检查，特别是环境温度、湿度是否保持在合理范围内，以及室内尘埃情况，散热通风的通道是否正常通畅，一旦发现通风不畅则应停止运行加以通风；还应检查其振动幅度是否过强，若发现变频器内部出现小于每秒5.9米的异常噪声，则应当采取相应手段进行改善。最后就是检查变频器是否过热，有没有异味。以上问题都是需要定期进行巡查和完善的，出现异常必须加以整改，否则变频器不得进入风力发电系统的正常运作程序中。只有通过日常维护提高变频器工作性能，方能减少变频器故障发生概率，促进系统经济运行。
此外，还应当定期对变频器进行清理工作，且应当按照拆主板、清扫线路板和内部模块等零件的顺序进行。同时注意检查内部电容是否完好，各处螺丝是否松动，如有问题必须进行更换或紧固，不得得过且过。最后，还应注意检查变频器内部导线绝缘是否有因过热而被腐蚀的情况，如发现必须及时更换和处理，对冷却风扇的运行情况提高关注度，将变频器的日常运作维护好，减少维修频率，提高风力发电系统的整体运作效率。
4.2掌握常见故障处理方式
积极普及常见变频器故障发生时的处理方法。首先对于电压故障，应针对其速度运行情况进行不同处理方式的学习和区分。超同步运行中的过电压应检查加速时间是否过短，可通过设置转速跟踪再启动的方式进行故障处理；次同步运行则应外加合适的能耗制动组件来减少负载转矩；同步转速运行则应重点检查负载惯性，将其控制在一定范围内；其次对于过电流的故障发生方式，也应同过电压故障进行相同的种类区分。超同步运行中应检查加速时间，设置转速跟踪再启动的方式进行故障处理；次同步运行也需要外加合适的能耗制动组件；同步转速则主要解决负载卡死问题。此外，过电流故障还应检测是否出现变
频器本身的主回路输出问题，应当通过与直流侧的的P、N端子之间的正反向电阻来判断，及时更换。
针对过载问题出现的故障则主要检查电压电网、加速时间以及过载保护系数的设置等问题；针对缺相故障则应对输入侧和输出侧的电压、电缆进行着重检查；针对接地故障则应检查电机是否短路、电缆是否损坏等原因；针对变频器上电无反应则应通过输入侧电源和内部接触器的损坏程度检查进行分析处理；最后是操作面板无响应的故障，则应对变频器面板锁定功能、连线接触功能以及按键损坏问题进行着重处理。
5.结语
综上所述，我们对风力发电系统中的变频器故障诊断相关问题有了更深层次的理解，也对提高其故障诊断水平的方式有了简单的阐述和研究。如何通过更好的方法手段进行变频器性能的提升和诊断效率的提高是当下最应当面临和解决的问题。因此，我们应当积极利用现代化技术做好变频器的故障诊断工作，防患于未然，更好地提升未来风力发电系统的效率，促进其前进发展。
参考文献：
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