變速恒頻空載技術(shù)在風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用

晉能清潔能源風(fēng)力發(fā)電有限責(zé)任公司 楊利軍

風(fēng)力發(fā)電所產(chǎn)生的電源屬于清潔能源，是現(xiàn)代社會(huì)大力倡導(dǎo)的能源生產(chǎn)模式。在具體進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著風(fēng)速變化而發(fā)生改變，需要通過(guò)科學(xué)控制的方式。保證生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定性和最終生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，以便為廣大用戶(hù)提供更加優(yōu)質(zhì)的電力資源。強(qiáng)調(diào)需要通過(guò)運(yùn)用有效控制手段獲得恒定頻率的方式，保證風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)能夠順利進(jìn)行，而變速恒頻技術(shù)就是一種較為有效的頻率控制技術(shù)。

1 變速恒頻空載技術(shù)

所謂變速恒頻技術(shù)，指的是在進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電過(guò)程中，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著風(fēng)速變化而發(fā)生改變，會(huì)通過(guò)運(yùn)用有效控制手段獲得恒定頻率的技術(shù)模式。在具體應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子電流頻率以及大小等各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)科學(xué)對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)的方法，確保能夠在較寬風(fēng)速范圍內(nèi)，保持近乎恒定最優(yōu)葉尖速比，確保能夠達(dá)到風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率最大化的目標(biāo)[1]。會(huì)通過(guò)運(yùn)用有效控制策略，對(duì)系統(tǒng)有功功率以及無(wú)功功率進(jìn)行靈活調(diào)控的方式，確保風(fēng)電網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量能夠得到有效提高，保證風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)的穩(wěn)定程度。

該項(xiàng)技術(shù)能夠通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)以及風(fēng)能進(jìn)行充分應(yīng)用的方式，達(dá)到切實(shí)提高風(fēng)電技術(shù)應(yīng)用水平的目標(biāo)，是現(xiàn)代風(fēng)電生產(chǎn)主流應(yīng)用技術(shù)。在具體進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，會(huì)按照風(fēng)力發(fā)電具體類(lèi)型，通過(guò)將分布式風(fēng)力發(fā)電和其他發(fā)電模式有機(jī)融合在一起的方法，形成較為完善的控制模式，科學(xué)進(jìn)行風(fēng)能發(fā)電[2]。例如，可以將太陽(yáng)能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電結(jié)合在一起，通過(guò)形成風(fēng)光互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)，保證最終發(fā)電質(zhì)量。

2 變速恒頻空載技術(shù)在風(fēng)機(jī)改造中的應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目基本情況介紹

本次項(xiàng)目為某風(fēng)電場(chǎng)安裝60臺(tái)華儀風(fēng)能有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：華儀）HW3/S2500（121）風(fēng)力發(fā)電機(jī)組項(xiàng)目，變頻器系統(tǒng)配套北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)：科諾）KN-CVT2500-DF-2變頻器。于2018年2月14日起，電場(chǎng)開(kāi)始投產(chǎn)并網(wǎng)，實(shí)施風(fēng)機(jī)陸續(xù)并網(wǎng)。本次項(xiàng)目擬對(duì)變頻器故障發(fā)生率最高10臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻器改造，整體改造技術(shù)相對(duì)較為成熟，且備品備件供應(yīng)可靠，會(huì)選擇市場(chǎng)占有率較高的變頻器進(jìn)行改造處理，能夠達(dá)到有效提升發(fā)電總量，降低備品費(fèi)用成本的目標(biāo)。

2.2 改造必要性分析

該電場(chǎng)風(fēng)機(jī)已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間，變頻器內(nèi)部存在故障逐年增加以及元器件老化等方面的情況，故障的高頻率發(fā)生時(shí)的發(fā)電量，以及風(fēng)機(jī)運(yùn)行安全均受到嚴(yán)重影響。通過(guò)對(duì)風(fēng)機(jī)變頻器運(yùn)行問(wèn)題的研究發(fā)現(xiàn)，各項(xiàng)問(wèn)題主要集中在以下幾個(gè)方面：一是2019年科諾公司已逐步退出風(fēng)電市場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)存在技術(shù)支持、優(yōu)化升級(jí)、備件獲取困難等一系列問(wèn)題；二是科諾生產(chǎn)的KN-CVT2500-DF-2變頻器電網(wǎng)適應(yīng)性較差。電網(wǎng)發(fā)生諧振時(shí)，在諧振點(diǎn)附近電流增大，導(dǎo)致濾波電容過(guò)流燒毀。風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)至今風(fēng)機(jī)變頻器濾波電容鼓包、漏液發(fā)生16臺(tái)次，風(fēng)機(jī)變頻器濾波電容燒毀故障發(fā)生9臺(tái)次，功率單元擊穿發(fā)生41臺(tái)次；三是根據(jù)2019—2022年風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，變頻器故障占比高，變頻器故障損失電量占比高。

表1 2019—2022年風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖1 風(fēng)機(jī)變頻器

2.3 具體改造技術(shù)方案

在具體進(jìn)行改造過(guò)程中，會(huì)對(duì)10臺(tái)故障發(fā)生率最高的變頻器進(jìn)行調(diào)整，將整機(jī)更換為市場(chǎng)占有率較高的變頻器設(shè)備。通過(guò)進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)查的方式，完成10臺(tái)市場(chǎng)占有率較高的變頻器采購(gòu)。同時(shí)，會(huì)對(duì)原有變頻器實(shí)施保護(hù)性拆除操作，將其運(yùn)輸?shù)诫妶?chǎng)升壓站之中，確保能夠通過(guò)對(duì)拆下變頻器內(nèi)部元器件進(jìn)行分類(lèi)和打包處理的方式，移交庫(kù)房管理員進(jìn)行管理，方便后續(xù)二次應(yīng)用和折舊處理。在完成新變頻器安裝之后，需要對(duì)整機(jī)主控系統(tǒng)以及變頻器進(jìn)行調(diào)試，保證變頻器能夠處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

2.4 項(xiàng)目具體實(shí)施方式

為保證采購(gòu)成本和采購(gòu)公平性，本次項(xiàng)目采用公開(kāi)招標(biāo)采購(gòu)方法，將風(fēng)機(jī)整機(jī)生產(chǎn)制造廠(chǎng)家或風(fēng)機(jī)變頻器生產(chǎn)制造廠(chǎng)家作為投標(biāo)人，公開(kāi)組織進(jìn)行招標(biāo)，預(yù)計(jì)10臺(tái)變頻器改造項(xiàng)目費(fèi)用見(jiàn)表2。

表2 10臺(tái)風(fēng)電機(jī)組變頻器改造項(xiàng)目費(fèi)用

2.5 改造項(xiàng)目實(shí)施具體要求

2.5.1 解決變頻器備件緊缺問(wèn)題

在具體進(jìn)行改造過(guò)程中，需要對(duì)更換下來(lái)的變頻器零部件進(jìn)行二次利用，將其作為風(fēng)機(jī)變頻器備件進(jìn)行使用，妥善解決變頻器備件緊缺和采購(gòu)困難的問(wèn)題[3]。運(yùn)用此種方式能夠?qū)⒉鹦断聛?lái)的10臺(tái)風(fēng)機(jī)變頻器，作為機(jī)主變頻器備件進(jìn)行應(yīng)用，可以達(dá)到每年節(jié)約130萬(wàn)元左右采購(gòu)成本的目標(biāo)。同時(shí)，風(fēng)機(jī)故障停機(jī)時(shí)間的不斷減少，也能夠保證風(fēng)機(jī)可利用時(shí)長(zhǎng)可以得到切實(shí)延長(zhǎng)，會(huì)大幅度降低風(fēng)機(jī)故障損失電量，保證電量收入能夠得到不斷提高。

2.5.2 強(qiáng)化設(shè)備可靠程度

經(jīng)過(guò)改造方式解決變頻器故障過(guò)高，以及配件消耗較大等方面的問(wèn)題，有效規(guī)避變頻器設(shè)計(jì)方面缺陷[4]。通過(guò)進(jìn)行合理改造的方式，嚴(yán)格控制故障停機(jī)時(shí)間，保證風(fēng)機(jī)可利用時(shí)長(zhǎng)，減少因?yàn)轱L(fēng)機(jī)故障所造成的各種電量損失問(wèn)題。

2.5.3 提升電網(wǎng)適應(yīng)性

確保改造之后所使用的新變頻器能夠具備電網(wǎng)適應(yīng)能力較強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在劣質(zhì)電網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行使用，變頻器整體故障發(fā)生概率能夠被控制在合理范圍之內(nèi)，解決現(xiàn)階段變頻器使用存在的各種問(wèn)題[5]。

3 改造新變頻器情況說(shuō)明

3.1 改造基本內(nèi)容介紹

變頻器主要包括功率柜、并網(wǎng)柜以及配電柜，將配電柜和并網(wǎng)柜融為一體，對(duì)柜體進(jìn)行拆解處理，組成功率柜和配電柜加配網(wǎng)柜的模式。變頻器尺寸需要和科諾變頻器保持一致，確保能夠直接進(jìn)行更換。在進(jìn)行功率電纜安裝過(guò)程中，需要將電網(wǎng)功率線(xiàn)纜和轉(zhuǎn)子功率線(xiàn)纜安裝銅排出線(xiàn)方式作為下出線(xiàn)，將定子功率電纜為上出線(xiàn)，按照能夠和原科諾變頻器相兼容的原則，設(shè)置出線(xiàn)方式。運(yùn)用PB 通訊進(jìn)行風(fēng)機(jī)主控以及變流器之間的通信，做好通訊調(diào)試工作。

3.2 變頻器改造實(shí)施方案

3.2.1 具體改造流程

在具體進(jìn)行變頻器改造之前，需要先對(duì)原有變頻器進(jìn)行拆解，并且將拆解后的零部件進(jìn)行分門(mén)別類(lèi)，展開(kāi)新變頻器的部件和單柜拆解，在塔基內(nèi)進(jìn)行組裝。在完成安裝之后，需要進(jìn)行調(diào)試，通過(guò)并網(wǎng)發(fā)電的方式，確定變頻器使用是否合理。

3.2.2 做好改造前期準(zhǔn)備工作

為確保后續(xù)改造工作能夠順利進(jìn)行，需要做好前期各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，保證改造工作能夠高質(zhì)量進(jìn)行。首先需要確認(rèn)新變頻器技術(shù)選型，確保其安裝尺寸以及安裝接口等各項(xiàng)內(nèi)容能夠和機(jī)組使用要求相符合。在進(jìn)行變頻器拆解過(guò)程中，對(duì)部分扎線(xiàn)段進(jìn)行裁剪，屬于不可恢復(fù)拆解模式。操作時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)螺釘?shù)袈涞臓顩r，需要通過(guò)增加延長(zhǎng)線(xiàn)的方式，做好準(zhǔn)備輔料的準(zhǔn)備，確保能夠更好地完成后續(xù)各項(xiàng)改造工作。

3.2.3 變頻器拆解處理

在對(duì)原有變頻器進(jìn)行拆解處理過(guò)程中，需要在變頻器和風(fēng)機(jī)完全停止之后才能處理，在關(guān)閉UPS電源和斷路器之后，需要斷開(kāi)箱變低壓位置主斷路器，搖出箱變主斷路器，確保箱變和斷路器之間能夠形成有效斷開(kāi)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)萬(wàn)用表的應(yīng)用，對(duì)變頻器各部分電壓情況進(jìn)行測(cè)量，在所有電壓數(shù)值達(dá)到零之后，便可以先進(jìn)行功率模塊，以及并網(wǎng)接觸器等大重量部分的拆除，將其搬運(yùn)到風(fēng)機(jī)外部，并做好防護(hù)管理。在進(jìn)行信號(hào)以及功率等電線(xiàn)電纜拆除過(guò)程中，需要通過(guò)對(duì)標(biāo)簽的應(yīng)用，對(duì)轉(zhuǎn)子功率線(xiàn)纜以及定制功率線(xiàn)纜等進(jìn)行標(biāo)記，防止出現(xiàn)線(xiàn)纜混淆問(wèn)題，做好主控通訊信號(hào)線(xiàn)以及變頻器功率線(xiàn)纜等內(nèi)容的拆除。

3.2.4 新變頻器安裝

對(duì)新變頻器進(jìn)行拆解，并逐一完成并網(wǎng)接觸器以及主斷路器等各項(xiàng)內(nèi)容的安裝，并且在安裝完成之后，做好柜體固定，通過(guò)進(jìn)行檢查的方式確定所有安裝是否符合要求，及時(shí)對(duì)存在的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行調(diào)整，保證整體安裝效果。完成設(shè)備安裝之后，再進(jìn)行電線(xiàn)電纜安裝。根據(jù)之前設(shè)置線(xiàn)標(biāo)，展開(kāi)功率線(xiàn)的安裝，保證新變頻器電網(wǎng)功率線(xiàn)纜，以及定子線(xiàn)纜等位置能夠與原變頻器處于相近狀態(tài)。在對(duì)電線(xiàn)電纜安裝準(zhǔn)確性進(jìn)行全面檢查之后，運(yùn)用螺釘進(jìn)行緊固處理，并通過(guò)對(duì)防火泥的使用，對(duì)線(xiàn)孔展開(kāi)封堵。

3.2.5 并網(wǎng)調(diào)試

在完成所有安裝之后，再進(jìn)行并網(wǎng)調(diào)試。首先，應(yīng)進(jìn)行上電前檢查，對(duì)變頻器內(nèi)部以及頂部等位置進(jìn)行檢查，確定是否存在遺落工具等方面問(wèn)題，按照設(shè)計(jì)要求和力矩要求，做好轉(zhuǎn)子線(xiàn)以及定子線(xiàn)等連接和緊固處理；其次，按照一定順序進(jìn)行上電，展開(kāi)開(kāi)環(huán)發(fā)波以及其他一系列測(cè)試，通過(guò)運(yùn)用單步調(diào)試的方法，操作機(jī)組啟動(dòng)機(jī)器，按照一定步驟進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)的添加，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；最后，將變頻器轉(zhuǎn)換為主控控制模式，確保機(jī)組能夠處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

3.3 改造結(jié)果分析

在完成改造之后，技術(shù)人員對(duì)改造之后的變頻器展開(kāi)了運(yùn)行測(cè)試，按照測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使用新型變頻器設(shè)備，能夠妥善解決原有風(fēng)機(jī)故障發(fā)生頻率過(guò)高的問(wèn)題，整體風(fēng)機(jī)運(yùn)行有效性以及穩(wěn)定性得到切實(shí)提升。此外，在使用新型變頻器之后，原有變頻器設(shè)計(jì)存在的缺陷問(wèn)題得到妥善解決，故障停機(jī)時(shí)間得到嚴(yán)格管控，風(fēng)機(jī)利用時(shí)長(zhǎng)得到有效延長(zhǎng)，各種電量損失問(wèn)題得到了妥善解決，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標(biāo)。

在使用新變頻器之后，達(dá)到了和電網(wǎng)進(jìn)行有效配合的目標(biāo)，能夠在電網(wǎng)中進(jìn)行合理使用，即便在劣質(zhì)電網(wǎng)環(huán)境中，也能夠?qū)⒐收习l(fā)生概率控制在允許范圍之內(nèi)，滿(mǎn)足了改造之前所提出的各項(xiàng)要求，表明本次改造工程符合預(yù)期，達(dá)到了預(yù)期改造結(jié)果。強(qiáng)調(diào)管理人員需要總結(jié)本次改造成功的經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)新變頻器所具有的性能以及風(fēng)力發(fā)電具體要求，制定出較為有效的優(yōu)化方案以及后續(xù)管理方案，確保變頻器使用能夠處于理想狀態(tài)，能夠更好地為風(fēng)力發(fā)電工作開(kāi)展提供助力，并且能夠通過(guò)進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的方式，為后期類(lèi)似工程開(kāi)展提供可靠依據(jù)，保證該電廠(chǎng)整體生產(chǎn)效能可以得到切實(shí)提升。

為解決風(fēng)機(jī)運(yùn)行方面問(wèn)題，確保風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)量能夠得到有效提高，需要加大對(duì)變頻器問(wèn)題的研究力度，按照變速恒頻技術(shù)的應(yīng)用要求，對(duì)變頻器進(jìn)行改造和調(diào)整，確保能夠通過(guò)對(duì)新變頻器的應(yīng)用，完成對(duì)原有發(fā)電系統(tǒng)的有效調(diào)整，保證系統(tǒng)存在的問(wèn)題能夠得到妥善解決，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理想化風(fēng)機(jī)運(yùn)行模式，高質(zhì)量完成產(chǎn)電等一系列任務(wù)，為電場(chǎng)獲得更加可觀(guān)的經(jīng)濟(jì)效益。