中车株洲所初蕊：浅谈风电变流器可靠性测试技术

9月19日，由中国可再生能源学会风能专业委员会主办，中车株洲电力机车研究所有限公司承办，金风科技、远景能源、明阳智慧能源、海装风电、施耐德电气协办的“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。

中车株洲所可靠性测试专家初蕊出席大会并发表了题为《坚如磐石，御风而动——浅谈风电变流器可靠性测试技术》的主旨演讲。以下为发言全文：

初蕊：各位专家下午好，很荣幸今天有机会在这里和大家交流一下风电变流器可靠性的一个测试技术。

我是来自株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，我们作为唯一一个国家级工程研究中心，也是中车时代电气股份有限公司面向工业变流及电传动领域的全资子公司。秉承着我们积累的技术基础和开发平台逐步进入风电、光伏等领域，为绿色能源高端客户提供高可靠性的系统解决方案。

二、下面我首先简单和大家分享一下测试的概念。测试是为了发现错误而执行的一个操作，那么测试是为了证明设计有错，而不是证明设计无错的一个过程。一个好的测试用例在于它发现了至今没有发现的一些错误，我们测试的目的就是为了发现缺陷。发现产品在设计元器件、零部件、材料和工艺方面的一些缺陷，来验证我们的产品是否符合指标的一个定量要求，从而从测试的维度对产品进行一些多维度的评估，为设计更好的优化、升级产品提供依据。

对于我们测试的意义而言，我们是通过错误产生的原因和特征的分布，更好的来改进我们的产品，通过分析问题，可以设计出有针对性的检测方法，改善我测试的一个有效性，目前在国内越来越多的公司把测试作为产品生命周期中的一个必经环节，并且越来越重视。在整个产品的过程中我们会进行单元测试、集成测试和系统测试，在不同的测试环节中我们会输出不同的成果。

这是我们在进行可靠性测试和可靠性试验过程中所需要的一些测试资源，包括气侯环境实验能力，我们通过模拟高低温、湿热、沙尘等等确定我设备是否可以在现场进行符合现场的这种环境要求，主要的一些测试设备。在力学环境、试验能力方面我们采用不同等级的振动台，然后来模拟现场的一个振动测试和数据的一个分析。

在可靠性实验能力方面，我们可能主要进行一些环境应力筛选试验，可靠性增长和可靠性强化的实验，以及具备这种对轨道交通、工业传动和电子设备的电磁兼容性能检测的一个能力。

三、风电变流器可靠性测试技术。最主要的是想跟大家分享一下我们进行的可靠性测试技术。我们也是依托轨道交通的技术沉淀，从08年开始进行风电变流器的自主研制，历经11年形成了3种平台7个系列，具备环境强适应性、有意的故障穿越能力、优良的电网适应能力，针对高海拔、高风沙以及温差比较大的一些特殊工况我们制定了一些适应于风电变流器的试验方法。在这里我们也是依托了轨道交通的整个流程的一个测试体系，开发了一个针对于我们风电变流器的测试体系，从方案阶段我们测试就会介入，在这里主要是说跟大家分享一下我们物料技术的一个测试和不测试技术以及带一部分可靠性试验技术。通过这种固化可靠性测试技术，规范产品测试体系，我们可以更好的实现质量的全流程控制。在全流程测试能力的建设方面，我们会通过两个维度来建立这种产品的全流程，包括产品维度跟过程维度。在产品维度我们会进行物料测试、单板测试、软件测试、部件测试、整机测试五个方面，所有的五个方面的测试是独立进行的，我们也可以根据我们的需求进行集成测试，这种独立和集成的合理采用可以增加我们的测试覆盖率，更好的发现一些产品的一些潜在问题。在过程维度方面我们是会承接一些失效分析，专项攻关的工作，我们把做出来的结果会反作用于我的测试技术跟物料技术，从失效分析的这些结果中，我们可以更好的做一些测试用力和这种试验方法，使我的测试更有效。

首先说一下物料可靠性测试。物料测试就是为了选好物料、用好物料。我们在了解物料的情况下从设计、集成、材料中提取敏感应力，我们针对提取出的敏感应力进行合理的方案，进行开展测试，测试出来的结果会反作用于我的测试方案，来优化我的测试方案，形成一个正向的一个循环，从而更好的激发风险。

下面从具体的物料测试中来说一下。在框架断路器+接触器测试过程中我们采用的是铜排，和我们常规的铜排不同的，现场真正用的铜排接触面积不同，导致我的温升实验结果不同，还会进行这种高温下的可靠性说明测试，以及断路器接触器组合短路试验，在这个试验过程中我们会发现一些瓶颈器件，瓶颈器件和我的温度振动，对这两个因素非常敏感，我们会把这个结果反馈给设计，通过散热设计的优化和振动设计的优化，可以增强我物料使用的一个寿命和可靠性。

在电流传感器测试方面我们会选择A、B两种品牌的物料电流传感器，进行温度固定实验以及湿度等等，我们发现在电流传感器中有一种敏感器件，它的眼角非常细，对我的PC工艺和焊接工艺有比较高的要求，当防护不是很合理的时候容易出现这种离子迁移的故障，我们结合短板给供应商提出了合理化的改进建议，提高了电流传感器的环境适应能力。

在风机的测试中我们都知道轴承的润滑寿命取决于这种温度，在温度范围内，温度越低我的寿命应该是越长的，振动、温度和谐波都会加速我润滑的一个老化过程，我们是通过对风机的这种动平衡的研究，对于这种，以及结合振动方面的分析，加强对这种在风机、安装和出场安装到变流器过程中，我们对于这种不平衡参与量以及移动的限制进行管控，从而提升风机在现场应用的可靠性。

在薄膜电容的测试过程中，当薄膜厚度一定的时候，我们需要这种低温升的，就需要这种薄的方组薄膜，但是越低的方组薄膜就会导致我电容的这种耐压能力减小，因此我们综合了电容的工艺、耐压、温升等等进行横向和纵向的一个对比，从而得出一个针对我风电变流器应用要求的一个最优的方案，没有更好只有最合适。

在认证过程中我们都需要进行耐压、局放和环境适应性的一个测试，在测试的过程中我们会发现一些跟绝缘、可靠性相关的一些应力，比如说我们是否在测试工艺的过程中会引入杂质，对于这些局部的导边的因素，我们都会向供方提出明确的工艺管控要求。

在物料管控一致性方面，我们对我们风电变流器中应用的所有物料进行一个针对不同物料制定不同的物料筛选方案，对于那些特别重要的物料我们会进行自行的管控，自行筛选，对于这种质量一致性较好的，也就是CPK值比较稳定的，我们会逐步的减少它的筛选比例，甚至年减，对于这种CPK值浮动比较大的，我们会和供应商共同来分析产生的这种原因，并且进行优化。从而实现一个动态筛选的机制，实现对物料的一个分级管控。

在硬件测试方面。我们打破了传统的功能测试，引入了白盒测试以及针对我单板条件，包括温度、湿度、振动等等，为了更好的激发产品的一个薄弱点，我们还会进行这种高加速的测试，在单板的老化方面我们采用的是动态老化筛选方案，针对与不同的单板我们会制定适合它的一个老化筛选方案，相对于传统的静态筛选，故障动态老化筛选的故障激发率会大大提升，从而提高我产品的一个可靠性，防止早期故障流入现场产品中。

在硬件测试中我们是把常规的宏观的测试引入到了这种包括信号级的这种微观测试，把产品打开，测试到PCB上的每一个信号线每一个电源每一个接口，每一个时序余量，对于波形的各项指标我们会进行衡量，这种新引进的白盒测试和黑盒测试相比，开展了有以下几个方面的不同。首先开展的普及率不同，黑盒测试是我们传统应用的，比如说功能测试、环境测试，可能每一个厂家都会做，白盒测试是这几年才引入到工业应用中的。第二个就是它们投入产出比不同，对于白盒测试我的投入相对较少，一台高速适波器一名测试工程师和一到两个备测样品我就可以进行白盒测试，它们发现问题的概率也不同的，所谓的设计没有完美的，对于第一次测试的单板通常白盒测试发现问题的概率是100%，再一个它们的抽样特性不同，对于我白盒测试而言，我可以随机批次中随机抽取一到两个样品作为我的备测品，被随机抽出来的被测品具有一个全局代表性。最后就是它们的测试思想不同，黑盒测试中我可能不会在意盒子内部是如何工作的，我只在意它外部的接口是否可以满足我的需求，而白盒测试我是要把盒子打开，看一下里面的这种功能是怎样从一根一根信号中使显的，关注的是信号质量的幅度、时间、边缘以及电源的一个质量，包括稳态参数和顺态参数和时序测试等等，在测试的过程中我们会发现一些问题。从而时间微观的小投入高产出的测试方法。

在软件测试方面，目前我公司的软件测试已经相对比较成熟，在代码测试的过程中，我们会进行一个分层测试，如果有需要我们也会进行一个集成测试，通过这种合理的划分，我们可以在软件测试阶段发现更多的潜在风险，增加测试的一个覆盖率，在底层的测试中我们会发现一些这种效率，我们通过测试来提高我软件的一个效率以及进行这种长期考核和这种单点上万次的这种可靠性考核，防止我软件内部有一些未曾发现的一些潜在风险。

这两年我们也是一直在研究自动化测试。目前我们也是建立了一个基于框架的自动测试方法，应用于这种测试方法我们可以实现一个测试先于开发的一种测试模式，也就是说只要你有测试需求，我就可以开始进行测试代码的编写，可能这个时候设计代码还没有出来，这就可以大大的缩短我整个产品的一个开发周期，而且还可以实现测试代码和设计代码完全分离的一个目的，当你设计代码进行更改的时候，我只需要执行一键运行，就可以知道设计到底更改了哪些，从而优化我的测试代码。这种单元的自动化测试可以更好的实现灰白黑盒的测试，单次测试仅需要一分钟，大大减少了这种重复工作的时间。

在软件测试方面我们还针对风电变流器搭建了半实物仿真平台，通过这种半实物仿真平台我可以完全的模拟现场工况进行低穿、高穿电网频率的测试，可以大大缩短我的测试周期，采用这种半实物仿真平台我可以安全的模拟极端工况，进行这种破坏性实验，而且这种破坏性实验我是可以进重复进行的，这样大大降低了我的成本。依托这种半实物仿真平台可以更有利于我实现自动化测试，由于我们的软件已经在测试阶段，充分的模拟了现场业况，可以助力我们的产品在以最短的时间完成。

在整机的故障注入方面，我们首先会进行一些电源的这种可靠性测试以及信号中断，来验证故障识别能力以及故障的全面性。通过注入一些风机停转，来真实检测我整体整机的故障检验能力，在测试中我们会进行全范围的转速波动测试以及全范围功率波动测试，并且模拟塔桶与变流器散热匹配的模拟测试。在极限测试方面，我们会对模块进行这种极限测试，以及自主IGBT输出能力的测试，对完成的这种极限测试我可以对这种现场运行和这种精准设计提供数据支撑。

我们还对整机进行了这些环境可靠性试验，在整机测试方面举两个例子，首先在干烧测试中，可以知道峰巅器内部的温度分布情况可以增强快速故障检测能力和识别能力，从运行的角度，全方位的检测我的一个保护功能，根据纤长的多尘多灰的工况，我们还进行了绿网封堵模拟测试，根据半堵、全堵的工况，为现场防护能力提供依据，也为现场的维护提供一些依据。在整机ES方面我们会根据系统的振动、温度、电应力等，制定适用于风电变流器的ESS方案，目前覆盖率是100%，通过这几年的环境应力筛选，现场的故障率也是在大幅下降的，今年我们公司也是加大了在这一块的投入，建立了针对风电变流器的专用环境应力筛选平台。

在现在全球供应链比较紧张，IGBT采购处于瓶颈期，目前轨道交通用的中车自主IGBT已经进行了批量的使用，这也确保了关键器件的一个自主应用能力，在新能源产业方面，目前我们应用于新能源的IGBT已经完成了器件级、模块级整机测试，并且已经进行了这种现场的小批考核，通过我们的测试数据显示，我们的中车的自主IGBT和国际先进品牌的这种IGBT的性能是相当的，某些参数我们是优于他们的，比如说在静态测试中中车的IGBT通态压降更低，以及在散热测试中热阻更小。明年我们也会大力推进新能源产业中自主IGBT的应用。

最后依托轨道交通的测试技术的一个成果，我们现在已经形成了一套完整的风电变流器可靠性此时体系。中车风电变流器质量也是持续的提升，并且获得了广大业主的认可，我们将继续向国内外同行开展可靠性技术的交流和学习，继续深入自动化测试的研究，将测试技术和可靠性试验技术更好的融合，使我们的产品质量更好，谢谢各位。

（标题为编者所加，文字未经发言嘉宾本人审阅。）