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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
