淺談某1.25MW風電機組變流器升級改造應用

國華能源投資公司河北分公司 吳振濤

本文在對國華某風電場調研的基礎上，研究了某1.25MW 風電機變流系統(tǒng)改造技術，解決了原進口變流器對電網(wǎng)的不適應性及產(chǎn)品升級替換問題，達到預期效果，積累了寶貴的現(xiàn)場應用工程經(jīng)驗，為項目的推廣應用奠定了堅實的基礎。

1 引言

近年來我國風電市場得到了快速發(fā)展，截止到2020年中國風電裝機創(chuàng)新高，全國（除港、澳、臺地區(qū)外）新增裝機20401臺，容量5443萬千瓦，同比增長105.1%；累計裝機超15萬臺，容量超2.9億千瓦，同比增長23%[1]。隨著老舊機組的運行年限增加及風電技術日趨成熟，如何提高機組的穩(wěn)定性、降低運維成本，成為風電企業(yè)面臨的重要要問題。

國華河北分公司某風電場機組項目總容量197.5MW,安裝158臺國內某整機廠商1.25MW 風電機組，在2010年陸續(xù)投入商業(yè)運行。由于機組投產(chǎn)較早，受當時主機和部件生產(chǎn)商的設計技術水平和服務能力所限，并且當時風力發(fā)電行業(yè)屬于起步階段，風電機組變流系統(tǒng)主要依賴進口廠商，對我國電網(wǎng)的適應性比較差，投產(chǎn)以來項目機組變流系統(tǒng)故障率居高不下，甚至出現(xiàn)機組由于電網(wǎng)震蕩導致大面積脫網(wǎng)的情況，這一問題嚴重影響了風電機組的安全穩(wěn)定運行。

根據(jù)2015年及2016年故障數(shù)據(jù)分析（表1），機組故障主要故障集中在變流系統(tǒng)，故障次數(shù)占總故障的60%左右。

表1 2015年和2016年機組故障分析表

變流系統(tǒng)故障主要有四類，其中變頻器故障代碼9和切入故障次數(shù)占變頻系統(tǒng)故障的60%以上，經(jīng)統(tǒng)計變流系統(tǒng)問題主要有以下表現(xiàn)：

SEG 變流器由于拓撲結構的先天性缺陷，使用主斷路器（Q10）進行并網(wǎng)投切，由于現(xiàn)場存在局部小氣候，導致斷路器動作頻繁、壽命驟減。歷年損壞量如圖1。機組自投運以來，總計損壞數(shù)量為290個，2015年故障次數(shù)為122次。每臺斷路器的機械壽命為12500次，按現(xiàn)場實際測算，斷路器每年動作次數(shù)在4000次～6000次，需2年更換一次，每臺的價格為4萬元，按此計算每年更換斷路器需消耗300萬元。

圖1 歷年損壞量對比

由于SEG 變流器廠家已經(jīng)退出中國市場，后期的維護及技術支持無法及時滿足現(xiàn)場風機運行的響應需求，而且備件采購價格高、周期長，售后服務無法保障。

由于風場所在區(qū)域的電網(wǎng)環(huán)境比較差，雖在2013年通過冀北電網(wǎng)低穿驗證，但機組仍經(jīng)常出現(xiàn)由于電網(wǎng)低頻波動導致大面積脫網(wǎng)故障。據(jù)統(tǒng)計，2012年機組累計發(fā)生脫網(wǎng)49次，2013年機組累計發(fā)生脫網(wǎng)157次，2014年機組累計發(fā)生脫網(wǎng)17次。2015年底制造商對變頻系統(tǒng)進行程序升級，雖有一定效果，但未徹底解決。

經(jīng)過多年運檢總結，分析項目存在問題，認為變頻控制是造成該型號1.25MW 風電機組變頻系統(tǒng)故障高發(fā)的主要原因，不足主要表現(xiàn)在：內部芯片比較落后，使用的均為90年代末期的芯片，DSP、FPGA 等芯片技術落后，現(xiàn)在已經(jīng)很少有廠家使用這些芯片；對電網(wǎng)電壓諧波、電網(wǎng)電壓不平衡的不適應，在電網(wǎng)低頻波動出現(xiàn)時很容易發(fā)生脫網(wǎng)。

為了改變以上情況，2016年9月在風電場開展了變流器升級改造工作。此次改造邀請國內風電機組變流技術領先廠商禾望電氣參與，在不改變原機組變流器接口形式及安裝尺寸的情況下，采用“控制板替換+增加并網(wǎng)接觸器”的主體形式，解決變流系統(tǒng)故障率高、并網(wǎng)斷路器動作頻繁及大面積脫網(wǎng)問題。另外進行IGBT 功率模塊國產(chǎn)化替代工作。

2 變流器改造實施情況

2.1 對原變流控制板進行替換

因原有SEG 變流器內部控制系統(tǒng)不支持并網(wǎng)接觸器的控制，故須對原有SEG 變流器內部控制系統(tǒng)進行更換，由禾望提供的核心控制組件替換原來SEG 變流器的A3（SU）、A4（HU）控制器。禾望控制板采用核心控制板+外圍接口板方案，核心控制板采用在現(xiàn)場已經(jīng)過批量驗證的HW3000模塊控制板，外圍接口板為兼容SEG 專門設計，對外接口與SEG 單板對外接口一致。結構兼容、電氣接口兼容，避免現(xiàn)場改造時大量配電改造導致改造周期長、容易出錯等問題。禾望控制組件內的單板基于TI 公司的28346DSP 芯片，硬件上具有更高的運算速度及可靠性，同時軟件上通過采用新的控制算法和控制策略，能夠有效的解決SEG 變流器之前存在的電網(wǎng)適應性比較差的現(xiàn)象。

2.2 增加并網(wǎng)接觸器

在并網(wǎng)斷路器后端增加并網(wǎng)接觸器。SEG 變流器設計不合理，使用斷路器作為并網(wǎng)開關，然而斷路器的使用壽命一般只有1萬次左右，斷路器作為主回路保護器件一般不適宜在動作次數(shù)頻繁的場合使用，而接觸器的使用壽命都在五十萬次以上。增加接觸器后并網(wǎng)和脫網(wǎng)的時候使用接觸器進行投切，斷路器只做故障保護開關使用，在故障的時候將變流器和電網(wǎng)脫開，避免故障擴大，平時不動作，大大減少了斷路器使用次數(shù)。

斷路器的控制電路與改造前保持不變，只是變流器的控制端口在變流器沒有故障情況下保持常閉。并網(wǎng)接觸器只由變流器控制，同時將并網(wǎng)接觸器狀態(tài)反饋給變流器和主控（圖2）。增加風電專用無電池電源模塊，采用風電專用無電池電源模塊為并網(wǎng)接觸器線圈提供直流電源。由于風電行業(yè)的特殊性，一般的變流器會配備一個UPS 作為控制系統(tǒng)的備用電源，然而常規(guī)UPS 使用電池作為備用電源，電池普遍存在低溫失效、時間長了容量下降等缺點，一般2年左右就需更換，提高了維護成本。禾望為風電行業(yè)定制的無電池電源模塊由于內部采用非電池儲能器件，不存在常規(guī)UPS 存在的電池失效等問題，性能更加可靠穩(wěn)定。

圖2 并網(wǎng)接觸器線路圖

2.3 增加Hopeview 遠程監(jiān)控適配器

由于風機機組通常都在人煙稀少的地方，為了增強風機變流器的遠程監(jiān)控及故障診斷能力，禾望電氣提供Hopeview 遠程監(jiān)控適配器，能夠輕松的將變流器連接到風場的環(huán)網(wǎng)中，在中控室就能查看變流器的運行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)。

2.4 IGBT 功率模塊國產(chǎn)化

SEG 變流器的功率模塊采用的是德國西門康公司的SKIIP3系列的IGBT，此IGBT 是西門康公司為SEG 變流器定制的，市面上使用量比較小，采購渠道少、備件困難。此外SEG 變流器的功率模塊采用的是電解電容，電解電容容易存在容值偏差大、受溫度影響大，且壽命比較短等缺點。

禾望電氣的HW3000功率模塊內部采用的是日本富士公司的U 系列IGBT，此IGBT 為市面上比較常見的型號，禾望電氣大批量使用，市場表現(xiàn)良好、備件充足。另外禾望電氣的HW3000功率模塊內部采用的是金膜電容，性能比電解電容好、使用壽命更長，且HW3000內部具有Chopper 組件，只需在軟件上配置一下即可利用Chopper 更加有效的保護直流母線，減小功率模塊炸機的可能性。

HW3000功率模塊內部直接采用NTC 電阻檢測IGBT 溫度檢測，對于IGBT 溫度可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，而SEG 功率模塊只是一個簡單的開關量檢測IGBT 過溫,相比較而言,HW3000的溫度保護更加直觀有效。

3 改造效果情況

并網(wǎng)斷路器動作次數(shù)對比。改造前SEG 變流器使用斷路器作為并網(wǎng)開關，每次并網(wǎng)脫網(wǎng)都會動作。改造后，在斷路器后端增加并網(wǎng)接觸器K1，斷路器僅做故障保護使用，動作次數(shù)極少，大大延長了斷路器的使用壽命以先期改造的兩臺樣機改造前后（2015年9月～12月和2016年9月～12月）并網(wǎng)開關動作次數(shù)對比（圖3）：改造前每臺機組并網(wǎng)斷路器動作次數(shù)300～500次/月（機械壽命12500次），兩年的動作次數(shù)便會超出斷路器使用壽命，導致并網(wǎng)斷路器至少兩年需更換一次。截至改造工作完成3個月，并網(wǎng)斷路器動作次數(shù)明顯減少，平均值為10～20次/月。

圖3 2015年9月～12月和2016年9月～12月并網(wǎng)斷路器動作次數(shù)

解決了變頻控制器頻繁損壞的問題。禾望提供的核心控制組件在結構、對外接口等方面完全兼容原來SEG 變流器的A3、A4控制器，可以實現(xiàn)無縫隙替代。使用的軟件控制策略和算法可保證變流器可靠、穩(wěn)定地運行。同時，禾望核心控制組件內的單板選用的材料及工藝能夠滿足現(xiàn)場的惡劣運行環(huán)境。SEG 變流器控制器在改造前損壞率極高，導致的損失較大。完成改造后，沒有出現(xiàn)過核心控制組件損壞的問題，既節(jié)省了大量的維護成本又降低了變流器的故障率。

實現(xiàn)變頻系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，提高運維效率。增加Hopeview 遠程監(jiān)控適配器后，在風場的中控室就可以觀察變流器的實時運行情況并采集相關數(shù)據(jù)，具備了遠程診斷功能，大大提高了運維效率。

實現(xiàn)關鍵部件國產(chǎn)化，備件成本明顯降低。以5萬千瓦容量的風場為基準，改造前每年平均消耗成本和采用國產(chǎn)化產(chǎn)品替代費用價格對照如表2。可以看出，SEG 變頻系統(tǒng)單套為59萬元，禾望產(chǎn)品為25.4萬元，國產(chǎn)化產(chǎn)品性價比較高。

表2 價格對照表

4 結語

2016年9月后，國華河北分公司在該風電場158臺1.25MW 風機開展了變流系統(tǒng)改造工作，目前機組變流系統(tǒng)故障率明顯下降，實現(xiàn)了連續(xù)5年故障次數(shù)和故障時間的“雙降”目標，發(fā)電量逐年增加。該風電場在2016年9月開始對該1.25MW 機組變流系統(tǒng)改造升級后，機組變流系統(tǒng)故障下降明顯，間接增加了機組的發(fā)電時間，發(fā)電量有所提升，根據(jù)不完全統(tǒng)計，每年電量提升近1600萬度。

功率模塊國產(chǎn)化替代可以廣泛推廣，HW3000模塊與原SEG 功率模塊在結構上完全兼容，電氣對外接口也完全一致，可以直接替換；可解決備品備件采購及售后服務難題，降低備件采購成本，提升變頻器的環(huán)境適應能力，減少變頻器的故障率，特別顯著改進了對弱差電網(wǎng)的適應性。