1、SWITCH变流器基本工作原理

变流器在风机系统中的主要作用是把风能转换成适应于电网的电能，反馈回电网。发电机发出交流电，此交流电的电压和频率都很不稳定，随叶轮转速变化而变化，经过电机侧整流单元(或称INU)整流，变换成直流电，送到直流母排上，再通过逆变单元(或称AFE)把直流电逆变成能够和电网相匹配的形式送入电网。

为了保护变流器系统的稳定，此外还有一个过压保护单元(CHOPPER)，当某种原因使得直流母线上的能量无法正常向电网传递时，它可以将多余的能量在电阻上通过发热消耗掉，以避免直流母线电压过高造成器件的损坏。

变流器由芬兰的TheSwitch公司研制，网侧、电机侧都采用主动整流方式。变流器整体结构由5个机柜构成，其中核心部件为1#，2#、4#、5#机柜内部的功率模块，由芬兰的VACON公司生产。其中2#柜中的单元(1U1)即为网侧功率单元，4、5#柜中的单元(2U1.3U1)为电机侧功率单元，1#柜中的功率模块(4U1)是制动单元。

图1：金风1.5MW机组主框架图

图2：SWITCH变流器实物图

　　2、变流器模块的电流采集

　　图3：模块内部原理图

　　变流器模块单体由6个IGBT组成，每个IGBT有一个CT作为电流采集单元，把电流量传送给门极测量板，门极测量板通过插针传送给驱动板，驱动板通过排线传送给ASIC板，ASIC板通过光纤传送给控制盒，控制盒经过内部定值核算，大于触发值报过流故障，所以过流故障的报出可能会涉及每一环节。

图4：模块电流信号采集回路

　　3、故障原因分析

　　Switch变流器有自行设计的故障分析软件NCDrive,变流器故障时控制盒可以保存故障触发前1400ms至故障后600ms的数据，采样周期为1ms，NCDrive软件可以提取故障文件。经分析多台机组变流器过流故障文件，发现故障规律基本与下图中故障数据类似。

　　直流母线电压并网发电状态基本维持在1050VDC左右，ASIC板和Drive板的供电由直流母线供给，当直流母线电压大于600VDC左右时，两块板卡得电，此时变流器模块的通讯建立，电流信号、温度信号及驱动信号等由采集回路最终传递给控制盒，判断故障是否触发。因直流母线电压在800VDC左右时，IGBT尚未调制，所以应无电流，判断为“假过流”故障。

　　图5：故障文件数据分析

　　4、模块本体拆解分析

　　经拆解变流器故障模块，通过更换ASIC板和Drive板卡，故障现象并未消除。进一步拆解故障模块，发现门极测量板与IGBT连接方式为压接，由弹簧针作为连接桥，传输IGBT驱动信号、电流采集信号、IGBT温度信号等，所以这些信号的可靠性很大程度上依赖于弹簧针的性能。

　　本风电场变流器模块于2009年投运，已运行12年，弹簧针依靠自身弹性，加上通过自身电流的热膨胀工作在微压缩状态，经拆解多台相同问题模块，发现门极测量板与弹簧针的压接已不良好，判断微变流器模块的故障原因。

　　图6：门极测量板

　　图7：弹簧针(金针)

　　5、解决方案

　　针对Switch变流器模块此类问题，开展深入研究分析，总结出以下两个针对性方案。

　　5.1 门极驱动板维护

　　将功率单元沿侧面放倒，拆卸IGBT上压接的门极驱动板，使用防静电软毛刷刷去门极驱动板上的灰尘，刷去灰尘后使用无尘布进行清洁，门极驱动板与IGBT金针的接触面要反复擦拭，去除表面的灰尘与氧化物。

　　5.2 IGBT金针维护

　　a)使用无尘布擦拭IGBT表面的灰尘，特别要反复擦拭IGBT金针顶部，去除金针表面的灰尘与氧化物;

　　b)检查IGBT金针顶端与IGBT封装面的距离，若有距离过短的需要取出相应的金针进行轻微拉伸，消除金针疲劳，确保金针有足够的弹性。

　　6、效果检查

　　通过变流器故障数据的分析可以判断出是否为“假过流”故障。若为“假过流”，可以通过此处理方案，开展对应性的维护工作。将原来整体更换变流器模块，优化为开展对应性维护即可。既节约了备件成本，也缩短了停机时长，此方案具备推广意义。

　　参考文献：

　　[1] GW-07FW.0584.金风变流器故障解释手册(2.5MWI型、3.0MWIV型、PCS05I型)_故障重构版,A.5.王云广.

　　[2] 《 NX_MU_C》Vacon变流模块手册.

　　[3] 《 NXP Liquid cooled_brochure_CH》Vacon变流模块手册.

　　[4] 《liquid_cooled_MU_chinese 》Vacon变流模块手册.

　　作者：河北龙源风力发电有限公司 宋奇峰 李艳哲

　　来源：《风能产业》2022.04