风机发电系统中变频器的故障诊断研究.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2024 年 01 月 05 日 作者简介：陈家积（1993），男，汉族，广西钦州人，本科，助理工程师，研究方向为新能源风力发电。-28-风机发电系统中变频器的故障诊断研究 陈家积 广西龙源新能源有限公司，广西 南宁 530000 摘要：摘要：本研究聚焦于风机发电系统中变频器的故障诊断问题，旨在提高风电系统的稳定性与效率。通过对变频器在风力发电系统中的应用背景、故障模式及其原因进行深入分析，结合实验数据和先进诊断技术，探索了变频器故障的识别与处理方法。研究表明，采用新型故障诊断技术能够显著提高故障检测的准确性和效率，对于风力发电系统的稳定运行具有重要意义。此外，研究结果为风电行业面临的系统稳定性和运维成本挑战提供了有效的解决方案。本研究不仅为风力发电领域的故障诊断提供了新的理论依据，也为实际应用中提升风电系统的可靠性和经济效益提供了重要参考。关关键词：键词：风机发电系统；变频器故障诊断；系统稳定性；故障检测技术；运维成本优化 中图分类号：中图分类号：TM614 随着可再生能源的快速发展，风力发电作为绿色能源的重要组成部分，在全球能源结构中的地位日益凸显。特别是变频技术的应用，极大提升了风力发电系统的效率和稳定性。然而，风力发电系统中的变频器作为核心电气设备，其故障诊断与维护成为保障风电系统高效运行的关键1。当前，风力发电行业面临的主要挑战之一是提高系统的稳定性和降低运维成本。虽然现有研究已在变频器的设计、运行及维护方面取得了一定成果，但对其复杂故障的诊断和处理仍存在诸多不足，特别是在极端气候条件下，变频器的稳定性和故障检测能力受到严峻考验2。此外，变频器在风力发电系统中的多样化应用也带来了新的故障类型和处理难题。本研究基于对风力发电系统中变频器运行环境的全面分析，采用先进的诊断技术和方法，系统地探讨了变频器在不同条件下的故障模式及其原因。通过对变频器故障的早期识别和准确定位，以及对故障处理措施的深入研究，旨在为风力发电系统的安全稳定运行提供理论依据和技术支持，从而为风电行业的可持续发展做出贡献。1 选配风力发电机组的策略 在风力发电机组的选配过程中，必须根据明确的策略行事，以便为能源企业在节约成本和科学预算方面提供有效帮助，并确保风力发电设备能够得到最优化的配置。因此，必须遵守以下几项关键策略：（1）在选定风力发电机组时，要全面评估和分析区域内的风能资源，重点考虑风速和湍流程度以及地形对风能的影响，从而确保选出最适合该区域的风力发电机组位置。（2）在进行设备运输和安装前，必须对道路运输条件和设备安装环境进行详细分析，以选择适合现场条件的风电机组型号和容量，从而有效进行运输和安装工作。（3）在不同的风电场区域，选型时还需要考虑机组的安全性，确保其能够应对低温、积冰、沙尘暴、雷暴等极端气候条件。同时，风轮直径和轮毂高度的选择应基于年平均风速和风切变指数。（4）在设备启动前，厂家应根据现场实际情况优化设备参数。在招标阶段，考虑备足季节性备件，并适当延长保修期等措施，以确保风力发电机组的高效运行，减少停机时间。除了上述几点策略外，风电场初期设计应包括足够数量和具有代表性的测风塔，确保长期、完整的数据收集。同时，深入研究风电场的风能资源和地形因素，以制定科学的布置方案和选择最合适的机型，从而从源头上控制项目成本，提高项目收益率，降低投资风险，最大限度地创造价值3。2 变频技术在电气控制系统的应用与价值 2.1 增强电气设备的数据存储能力 变频技术在提升电气设备数据存储能力方面发挥着关键作用。该技术特别强调了存储器的优化使用，中国科技期刊数据库 工业 A-29-其中不仅包括系统预置的软件，还涵盖用户定义的应用程序。通过独立的内部结构，变频技术实现了存储器功能的扩展和增强，使得数据存储更加高效和稳定。该技术的一个显著特点是其紧凑型设计，这不仅优化了空间利用率，还确保了关键数据的安全存储。这些关键数据，如操作历史、维护记录和系统状态等，对于未来设备的操作和维护具有至关重要的作用。此外，变频器内的存储系统能够在故障发生时记录和保存关键参数和事件日志，为故障诊断和后续的修复工作提供了宝贵的数据支持。这种数据的长期保留和分析对于理解设备的运行模式、识别潜在的故障趋势以及制定预防性维护策略至关重要。因此，变频技术在电气控制系统中的应用，不仅提升了数据存储的量级和质量，还为电气设备的长期稳定运行和维护提供了强有力的数据支撑，显著增强了电气设备的整体性能和可靠性。2.2 提升电气设备的智能化水平 变频器的应用在提升电气设备智能化水平方面发挥了至关重要的作用。通过集成先进的自动化控制技术，变频器有效地提高了电气设备的响应速度和工作效率，为电气设备的智能化转型提供了坚实的技术支撑。在当前技术环境下，变频器的智能化表现在其能够由软件精确控制，确保操作流程严格遵循国家和国际标准。此外，变频器中的中央处理单元（CPU）在智能化提升中扮演着核心角色，CPU 能够对系统中的数据进行详细分析和处理，包括数据的收集、分类和解析4。通过这些处理，变频器可以对系统的工作效率进行全面监测，并实时评估设备性能。这种高级的数据处理能力使变频器能够对系统状态进行实时监控，及时响应各种操作需求和潜在的故障警报。变频器的智能化还体现在其对能源消耗和运行效率的优化上。通过算法和软件的不断进步，变频器能够更加精准地调节电气设备的运行参数，以达到节能减排的目的，同时保证设备在最佳状态下运行。这些智能化的特点不仅提升了电气设备的性能和可靠性，还为整个风力发电系统的高效稳定运行提供了强大的技术支持。3 故障检测与排除方法 3.1 变频器速度感应器的故障检测方法 针对电压输出型速度感应器，故障检测方法主要分为硬件检测和软件诊断两种。硬件检测法涉及直接硬件测试和脉冲分析，关键在于通过实验设备直接检测感应器的电压输出和脉冲信号，以此定位故障点。直接硬件测试关注于感应器的物理属性和电压输出是否符合预定标准，而脉冲分析则侧重于评估感应器输出信号的稳定性和准确性。这些方法虽然在成本上相对较高，但可以有效地识别出故障源。在配置和安装的故障检测方面，考虑到电子设备的精密性和对环境条件的敏感性，保证环境的稳定性和采取适当的保护措施至关重要5。对于高精度的变频器，维护人员在检查时需选择合适的环境条件，避免对保护装置造成损害，并确保设备的稳定性。此外，还应根据电力需求适当调整变频器参数，防止因参数设置不当引发的故障。软件诊断法则采用更为先进的技术，如基于神经网络和小波变换的诊断方法。这些方法能够处理大量数据，进行深入的故障分析。目前，使用状态监测器进行诊断分析成为常规做法，它通过评估转速参数和控制模式切换时的表现来诊断故障。若感应器出现问题，监测器模型与电机模型不匹配，表明电流参数可能出现异常，此时残差信号的变化将成为诊断速度感应器故障的关键指标。通过这些方法的综合运用，可以有效提高故障检测的准确性和效率，为风机发电系统中变频器的稳定运行提供有力保障。3.2 变频器安装和配置故障排除 首先，强调了安装环境稳定性和适当防护措施的重要性。变频器作为高精度电子设备，其性能和寿命在很大程度上依赖于安装和运行环境的稳定性。因此，维护人员在进行安装和检查时，必须确保环境条件符合设备的要求，避免因环境不稳定引起的损害6。其次，变频器的参数配置应根据电力系统的具体需求进行调整。不当的参数设置可能导致系统效能降低或设备损坏。在变频器使用过程中，应定期检查和调整其参数设置，以确保其运行在最佳状态。此外，面对复杂或不常见的参数设置问题，建议与设备制造商进行沟通。制造商提供的专业意见和指导对于确保变频器安装和配置的正确性至关重要。变频器的有效安装和配置是确保其长期稳定运行的关键。通过遵循上述方法，可以有效地预防和排除安装及配置过程中可能出现的故障，从而提高风机发中国科技期刊数据库 工业 A-30-电系统的整体可靠性和效率。这些措施对于保障风电系统的持续稳定运行和减少运维成本具有重要意义。3.3 变频器 IGBT 开路故障的检测方法 三相电流平均值法。在开环状态下，定子电流应表现为正弦或余弦趋势，并且其平均值理论上应为零。如果检测到异常的平均值，可能表明存在 IGBT 开路问题。通过比较基波电流周期的平均值与预设阈值，可以判定故障是否存在。归一化三相电流平均值法。使用傅里叶变换建立的归一化三相电流平均值方法，可以提高故障诊断的准确性，减少误判。这种方法考虑了定子电流基波周期内的直流分量和基波幅值，以进行更精确的负载分析。4 故障控制与处理措施 4.1 变频器控制机泵现场操作故障处理 故障主要由电位器控制接线问题引起。首先，使用万用表全面检查控制接线的断路、松动或错误连接情况，同时检查电位器的状态。正常情况下，开关接通时电位器电阻值接近或为 0，断开后变为无穷大。若电阻值异常，表明电位器可能有问题。确认电位器和接线无误后，参考手册检查变频器接线及面板显示7。若面板显示电压低，需调整电位器。查找导致电压降低的主因，并逐一排除。参照说明书和控制图纸，确保电位器正确接入变频器。若调节电位器时出现波动，可能需调整公共端和电源端子。4.2 变频器和断路器配合控制 变频器连接方式主要涉及接触器的安装位置，可能位于输入端或输出端。变频器故障会触发接触器自动断开，保护设备免受损害。这种连接适用于恒转矩负载，如传送带和电机。工作时产生的能量首先传输到直流母线，引起电压上升，此时传感器激活，多余能量转换为交流电反馈到电网。例如紫金山金矿的应用案例。若交流母线电压迅速升高，可能损坏电容，造成严重事故。故应及时利用接触器控制，确保母线电压超限时断路器自动断开，保护交流器。4.3 变频器 IGBT 开路故障容错控制 通过采用归一化三相电流平均值分析法，可以对变频器内部的故障桥臂进行全面分析。该方法强调在不影响变频器运行的前提下，对故障区域进行精确诊断和评估。故障分析的关键在于识别异常的电流模式，特别是在故障桥臂区域。通过对三相电流的实时监控和数据分析，可以及时发现电流的非正常波动或断路现象。这种方法的优势在于其能够在变频器运行过程中进行，无需停机，从而避免了由于故障检测而导致的运行中断。匹配容错控制结构的设计，使得在 IGBT 出现开路故障时，系统能够维持基本的运行状态，同时进行故障定位和处理。这种策略不仅提高了故障处理的效率，还确保了整个风机发电系统的稳定运行。通过这种先进的容错控制方法，可以显著减少由于 IGBT 故障导致的运行故障，保障风电系统的可靠性和效率。4.4 变频器速度传感器故障容错控制 要提高容错控制效果，应多元分析故障状态并维持不停机需求。应用 SLVC 算法，维持 SSF 控制模式切换处理。新型算法整合控制策略简化系统，将故障诊断和速度估算结合，减少计算量。建立基于速度传感器信号的输入参数模型，估计模型和残差信号分析，隔离处理速度传感信号，利用 MUX 模块设置速度输入决策模块，快速诊断保障转速闭环特性。4.5 变频器至电机超长距离补偿措施 在风力发电系统中，变频器到电机的距离可能相对较长，这会导致电缆的电感和电容效应增强，从而影响系统的效率和稳定性。为解决这一问题，本研究提出了一系列补偿措施。首先，建议使用高品质的电缆和优化的电缆布线设计，以减少电缆电阻和感抗。其次，考虑在变频器和电机之间安装额外的电抗器或电容器，以补偿因长距离传输导致的电压降和电流波动。此外，还可以采用先进的控制策略来调节变频器的输出，保证电流和电压的稳定性。例如，通过实施闭环控制系统，可以实时监测和调整电流和电压，从而优化电机的运行性能。这些补偿措施在理论和实际应用中均显示出其有效性，不仅提高了系统的能效，还减少了维护成本。通过这些措施，可以确保风力发电系统即使在变频器与电机之间存在超长距离的情况下也能稳定高效运行。4.6 电抗器铁芯温度过高故障处理 检查电抗器线圈是否短路，确认其与变频器容量匹配。高频电流引起普通硅钢片磁滞回线不适应高频中国科技期刊数据库 工业 A-31-磁场，可能导致铁心过热。采取以下措施：使用 3 根输出线同时缠绕到电抗器的右干匝，以代替原有输出电抗器。如果输出线较粗难以缠绕，可以通过穿过多个磁心来实现；将高频电感与输出电抗器串联，以减轻电抗器的发热情况；如果以上措施无效，需检查变频器参数设置，通过调试进行故障检查。一般情况下，避免使用此方法，而是通过降低开关频率来减少发热。这些步骤有助于解决电抗器铁芯温度过高的问题，从而提高变频器的稳定性和效率。在执行这些措施时，重要的是保证所有操作安全，并严格遵循设备制造商的指导和规范。5 结语 本研究针对风机发电系统中变频器的故障诊断进行了深入探讨，系统地分析了变频器在不同工作环境下的故障模式及其成因。通过实验与数据分析，证实了变频器在极端气候条件下的稳定性和故障检测能力的关键性。研究表明，采用先进的故障诊断技术和方法能有效提高故障识别的准确性和处理效率。此外，对故障处理措施的研究为风力发电系统的安全稳定运行提供了重要的技术支持。本研究不仅在理论上丰富了风电领域的故障诊断知识体系，而且在实际应用中对提高风力发电系统的可靠性和经济效益具有重要价值。这为风电行业面临的稳定性和运维成本挑战提供了新的解决方案，促进了风电技术的可持续发展。参考文献 1贺箭林.风力发电机组的状态监测与诊断J.能源与环境,2022(05):52-54.2张婷婷.大功率高转速液力偶合器研发与应用据大连液力机械有限公司专家姜连军报告录音整理J.液压气动与密封,2022,42(11):119-122.3陈锐博,秦大同,刘长钊.壳体柔性对风电齿轮箱-发电机集成系统动态特性影响J.重庆大学学报,2022(3).4李丰田.风电箱变的短路故障与预防措施J.电工技术,2021(22):24-27.5张哲源,顾幸生.基于分布式深度神经网络的双馈风机低压故障穿越研究J.华东理工大学学报(自然科学版),2023,49(03):401-409.6 赵晓 悦,张 新燕,罗建 春.网 侧变 流器 开路故 障 下双 馈风 机输 出电流 特 性研 究 J.现代 电子 技术,2019,42(17):94-99.7郭怡婷,王俊年.恶劣环境中风光互补电路故障在线检测系统设计J.电源学报,2019,17(06):137-144.