风电机组变频器优化改造

刘艳梅 高洋

摘要：本文是以某一风电场华锐SL1500风力发电机组出现变频器IGBT温度频繁偏高情况,因温度过高导致故障进行分析，提出了防范措施及建议。

关键字：华锐SL1500风力发电机组；IGBT温度；变频器；故障处理

变频器是现代风力发电机的主要部件之一,设备运行中,变频器故障比较常见,日常运行、维护工作量也比较大。某风电场自2008年投运以来发生多起因变频器超温造成的停机，给风电场造成较大经济损失。通过对故障现象的研究，对变频器优化改造，对照机组改造前后实测数据，证实改造措施能够有效降低IGBT运行温度，同时，可以降低机组变频器故障及损坏率，保证了机组运行的稳定性。

一、风电机组变频器超温的原因

某风电场华锐SL1500机组随着风机运行时间年限的增长，变频器内部的IGBT封装硅脂的活性下降，热阻变大，换热不良，尤其在炎炎夏日，此问题格外明显。

原变频器的水冷板采用AL板内部打水道的形式，该散热结构成本低廉，换热效率不高，在高温环境状态下，导热不良。由于采用打水道的结构形式，在水道内部折返区极易引起气泡的聚集，影响水路的畅通，影响水流量，进而影响 IGBT 的换热，引起IGBT温升高。因产品比较久远，该产品的控制算法没有及时跟进目前复杂的实际工况，导致IGBT自身发热量大，引起IGBT过温报警。

二、机组变频器优化改造方案

通过对现场故障深度分析，对引起IGBT超温的原因提出了综合改造方案。变频器降温改造方案主要针对变频器的软硬件和自身结构上的特点实施。主要包括：软件升级、水冷板升级、吸收电容和Busbar 升级。

1.软件升级

变频器中的逆变电路有 abc 三相，都有对应上下桥臂的 IGBT 与直流母线相连。记直流中点的电位为 0，则 a 相上桥臂导通时，a 相的电位是 Udc/2；而 a 相下桥臂导通时，a 相的电位是-Udc/2。

以国通变频器IGBT为例，开关频率是 3kHz，即每相IGBT在 1s的时间内，上下桥臂各开通3000次。一个开关周期是333 us，在这个开关周期里的平均电压是需要输出的电压Va。三相 IGBT 在一个开关周期里的原调制算法驱动波形，特点是中间一段时间，三相都是上桥臂导通，左右两边有一段时间三相都是下桥臂导通。考虑到三相上桥臂同时导通或下桥臂同时导通，输出线电压均为零，也就是说三相上桥臂都导通与三相下桥臂都导通对于三相交流电路来说是等价的。于是，我们可以把三相上桥臂都导通的时间换成三相下桥臂都导通。这样就得到了升级软件后的调制算法驱动波形。A 相 IGBT 在这个周期里不再动作，从而 A 相 IGBT 的开关损耗降低。

在一个工频周期 20ms 内，使 abc 三相的上下桥臂各一直导通 1/6 的时间，这样既降低了开关损耗，也使得各相上下桥臂的温度均匀。改进后的调制算法，能减少 1/3 的开关损耗，降低 IGBT 模块温升的同时还增大了发电量。由于开关损耗占总损耗的一半，总损耗约为 1%的发电量，因此新的调制算法能提高 0.16%的发电量。

2.水冷板升级

由于功率器件(IGBT)在运行过程中产生的大量的热，如果得不到及时有效的排除，其内部集成的功率器件管芯就会发热，使结温升高，进而使器件失效甚至被烧毁。水冷板，也叫水冷散热器，以一种常用的高功率密度电力电子产品的散热方案。水冷系统集成度高，模块化强，散热效率高，能耗低，噪声低。

为解决 IGBT 过热的问题，针对于现有产品的水冷板做了技术升级，特点如下：

（1）由原来的换热铝板升级为厂家专利知识产权的紫铜管式散热器（专利号:CN203278604U）。水冷板的热阻明显减小，换热效率明显提高，可以有效的解决现场变频器模块过温等问题。

（2）因 IGBT 的散热问题得到良好的解决，IGBT 的过载能力加强，可有效解决现场 IGBT 过流等问题，使变频器的工作稳定性得到进一步的提高。两种水冷板对比如图 1 所示：

重新涂抹导热系数更高的硅脂，由原使用的导热系数 2.0W/m^.K的硅脂升级为导热系数5.5W/m^.K的硅脂，硅脂涂装，如图 2 所示：

（3）因现场机舱温度差异性大，个别机舱温度可能维持在高值范围的情况下，采用常规方案无法降低温度，因此可以采用新式多环型的水冷板。

改造前后实验数据

测试时间 (时:分)	间隔时间段 (分)	IGBT温度(℃)
		改造前	改造后
14:45	0	38.9	48.1
15:00	15	41.8	51.1
15:15	30	44.7	53.9
15:30	45	46.6	56.6
15:45	60	48.8	59.2
16:00	75	50.6	60.8
16:15	90	52.3	62.3
16:30	105	54.2	64
16:45	120	55.2	65

3.吸收电容和 Busbar升级

吸收电容的作用是吸收 IGBT 动作时产生的尖峰电压。如果不装吸收电容，IGBT 开关动作时电压上升更高，产生的损耗更大。有些现场出现了吸收电容老化损坏的情况，引起直流母线短路而损坏变频器。因此，有必要更换吸收电容。

另外，原机器上的Busbar太薄，通过大电流时，温度很高，由于它直接和IGBT相连， 容易引起IGBT过热，加厚Busbar不仅可以降低Busbar本身的温度，还能降低IGBT的温度。变更后的Busbar 杂散电感是原来的一半，减小了尖峰电压，也有利于IGBT 温度的降低。Busbar 更换前后对比如图3所示。

三、结束语

针对变频器的软硬件和自身结构上的特点实施，通过对软件升级、水冷板升级、吸收电容和 Busbar 升级的分析，并通过对比改造前后数据分析，某风电场本次技术升级改造，可以有效降低 IGBT 温度，满足风电场现场对风机可靠运行和维护的要求，以及国家电网对机组发电质量的高要求。

参考文献：

1.双馈型风电机组风冷变频器优化改造案例[A]. 孙兵.第七届中国风电后市场交流合作大会论文集[C]. 2020

2. 某风电场风机变频器crowbar故障分析及处理, 颜源; 蔡江潮; 李刚, 《通信电源技术》2020(037)003

3.风力发电机变频器使用经验及常见故障处理办法，王冲，《工程技术》（2017）16

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