变频器常见故障原因及处理对策周青菁

变频器常见故障原因及处理对策周青菁

周青菁

（国电南瑞科技股份有限公司江苏南京210000）

摘要：随着风电的大力发展，有部分已过质保期的在运行风电机组，风场设备出现故障的概率增大。例如，风机的转速不能随风速的变化而快速响应，又如复杂气候与地形环境中，风电机组部件所承受的载荷范围越来越宽，风机传动系统频繁动作导致如齿轮箱润滑油油温过高、变频设备频繁启停通讯故障等问题，系统运行的稳定性和安全性越来越受到风电运营企业的重视。

关键词：风电；变频器；故障；原因；对策

1导言

风电机组高故障率等问题带来的高额维护成本影响了相关企业的经济效益，因此降低设备故障率和机组停机时长、提高风电场的发电效益成为研究热点。可是，伴随着风电技术的高速发展，其高额运营维护成本大大影响了企业的经济效益，也给相关设备制造业带来了挑战。基于风力资源的特点，风电场多建设在远离城市的山区草原。风电场环境恶劣、缺乏监控、风电机组长期处于高负荷运行状态等因素都极易导致设备的损坏，这使得设备维修费用成为风电场维护的最大支出。

2风电机组基本物理结构

随着风力发电技术的不断提升，各种类型的风机随之出世，但整体来说，风机的基本结构变化不大，通常都包括以下几个部件，如图1所示。

图1风电机组基本结构图

风电机组主要由以下五个部分组成：一是叶轮与变桨系统。叶轮的主要作用是将风能转换为机械能。叶轮对风电机组的性能和成本影响较大，因此在风电机组部件中处于关键位置。叶轮按主轴的设计方向可分为垂直轴风机和水平轴风机。垂直轴风机里根据结构不同有上风式和下风式，根据叶片数量有单叶片型，双叶片型，三叶片型。目前主流使用上风式三叶片型。变桨系统是一种机电一体化的功能系统，它安装在轮毅中。变桨系统中的变桨距可采用电动执行和液压执行两种方式。

二，传动系统。传动系统也称为主传动链，安装在机舱的主机架上。典型的传动系统一般包括低速转轴（叶轮轴）、增速齿轮箱、高速转轴、联轴器和制动装置等。低速转轴作为齿轮箱的输入轴，通过连接叶轮得到转速。高速轴作为齿轮箱的输出轴在得到齿轮箱增速后将动力传输给发电机。有的风电机组设计中没有齿轮箱，此种情况下发电机经过特殊设计在低速情况下即可工作。

三，发电机。发电机是将机械能转换为电能的机械设备，是风电机组的核心部件之一。不同的发电机类型可构成不同的风电机组。近年来，在大容量风电机组产品中，双馈异步风力发电机崭露头角，有望成为未来发电机的主力机型。

四，机舱和偏航系统。偏航系统位于风电机组机舱内，其主要作用是保证风轮在风速矢量方向上变化时，能快速平稳地对准风向，以便获得最大风能。

五，控制系统。控制系统主要实现对风电机组运行状态的监控。控制系统包括塔基控制柜、机舱控制柜、轮毅控制柜等。

3风电机组常见故障及原因

3.1风电机组常见故障

风电机组的工作环境特殊，往往处于地势偏远，条件恶劣的地方，各类设备部件出现故障的概率也相对较大。一些关键部件发生故障不仅增加设备维修成本，还可能导致风电机组长时间停机，降低企业经济效益。

为了使风电机组能长期处于稳定、安全、高效的运行状态中，必须减少设备故障的发生次数和停机时间。因此一方面需要对风电机组进行健康状态评价，监测机组的运行状态；另一方面需要对运行数据进行分析，找到故障频发的设备部件，对其进行故障诊断与预测。通过以上两方面，将计划维修和事后维修改为预测维修，有效避免维修不及时、维修过度的情况，也避免因设备损坏和机组停机而带来经济损失。

3.2风电机组设备故障分析

一，齿轮箱。①齿面磨损，齿面磨损是指工作中的轮齿在其接触面上磨损的症状。腐蚀磨损、磨粒磨损和冲击磨损都属于齿面磨损。②油温高，在风电机组正常运行中，一般规定齿轮箱油温应控制在80℃以下，齿轮箱两轴承之间的温差应小于15℃。齿轮箱油温的控制由冷却器和加热器完成，冷却器和加热器位于齿轮箱内部，当齿轮箱油温低于10℃时，加热器工作，油箱加热；当齿轮箱油温高于65℃时，循环的油路径增加了冷却器管路，油温在冷却器管路中迅速下降。③胶合，位于齿面啮合处边界的油膜受到破坏，引起与齿面接触的金属融焊在齿面上，这种现象称为胶合。胶合有冷热胶合两种方式，润滑条件不良是引起胶合的主要原因。通过改善润滑条件，调整传动件的参数，可减轻或消除胶合现象。④齿面疲劳，齿面疲劳发生在齿轮实际啮合的过程中，这种情况下齿面同时存在着相对滚动和相对滑动，接触摩擦力复杂。

二，发电机。①定子故障，主要表现形式为定子绕组过热、绝缘损伤和接地。定子铁心故障主要原因归结于制造安装过程中的机械局部叠片间发生短路。绝缘损伤故障主要原因归结于磨损、污染、裂纹、腐蚀等。定子故障会造成过热、绝缘烧损、短路等，严重时将造成定子绕组烧损、铁心烧损、更甚者会引发爆炸。②转子故障，主要有转子绕组故障和转子本体故障两种。转子绕组故障主要原因归结于绝缘磨损引起的接地、匝间短路。转子本体故障主要原因归结于电源中的负序电压引起的转子内涡流损耗，从而引起过热和疲劳裂纹。③冷却系统故障，主要表现形式为定子和转子冷却系统的泄露和堵塞，造成发电机温度过高。主要原因归结于冷却管道材料本身的缺陷、安装不当、振动、或者冷却介质选用质量差、容易含有杂质等。

4风电机组高频故障诊断与预测

4.1变频器故障诊断

随着风电机组容量的不断增大，提高机组运行效率成为风力发电技术研究的重要内容。自然风的风速和风向具有随机性、不可控性和不连续性等特点，因此风力发电机的输出电压和频率也在不断变化。风机产生的是变频交流电，需经过变频器转换为恒频交流电后才能并入电网。变频器是双馈异步发电机必不可少的部分，在风电机组发电中发挥着重要作用。

4.2变频器低温故障报警防治

变频器低温故障报警只发生在风电机组停机状态，因此降低风电机组的停机率可以有效防治变频器低温故障报警，避免因变频器低温故障报警引起风电机组更长时间的停机。

利用健康状态评价模型对风电机组的运行状态进行评价，可及早预警机组的亚健康运行状态，是降低风电机组停机率的有效手段。在冬季，合理增大健康状态评价模型中变频器低温故障报警影响因素的权重，即变频器项目层权重和功率特性项目层权重，使健康状态评价模型对冬季极端数据更敏感，更早预警风电机组的亚健康状态，给工作人员充足的时间采取措施，避免风电机组停机以及因停机而引起的变频器低温故障报警。

4.3改进的齿轮箱油温异常故障预测

通过对齿轮箱油温异常故障诊断，发现齿轮箱油温与环境温度、齿轮箱转速、齿轮箱高速运转时间密切相关。因此对齿轮箱油温异常故障的预测，考虑齿轮箱转速及其运转时间、环境温度对齿轮箱油温的影响，采用多元二项式回归分析法对其进行建模。多元二项式回归与多元线性回归相似，是通过多元二项式方程获取自变量和因变量之间的关系系数，建立多元二项式回归模型，该模型是一种以拟合为目的的函数模型。

结束语

近年来，随着我国风电事业的迅猛发展，相关企业对风电场设备的可利用率要求也越来越高，风电机组的故障诊断与预测成为当前研究的热点。变频器的低温报警约占变频器报警的76%，挖掘变频器低温故障报警信息与机组运行数据的内在联系，发现变频器低温故障报警只发生在机组停机状态，并受环境温度、风速的影响较大。齿轮箱的油温异常报警约占齿轮箱报警的55%，通过生产运行数据挖掘，发现齿轮箱油温故障受齿轮箱转速及其运转时间、环境温度的影响较大。

参考文献：

[1]胡立锦.直驱式风力发电机变频器故障诊断研究[D].新疆大学，2012.

[2]陈柏帆.基于运行数据的风电机组故障诊断与预测[D].电子科技大学，2017.