周云紅, 李志宏

(1.南京工程學(xué)院 電力工程學(xué)院, 南京 210000;2.上海良信電器股份有限公司, 上海 201206)

0 引 言

目前,在可再生能源的利用中,風(fēng)力發(fā)電技術(shù)最適用于大規(guī)模發(fā)電,在實(shí)際應(yīng)用中最廣泛[1-2]。風(fēng)力發(fā)電機(jī)是將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,繼而轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風(fēng)輪葉片在風(fēng)的作用下使風(fēng)輪旋轉(zhuǎn),將風(fēng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能,再通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)化將機(jī)械能轉(zhuǎn)成為電能。

1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)由電氣傳動(dòng)系統(tǒng)、電網(wǎng)聯(lián)接系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)控制和保護(hù)系統(tǒng)、偏航與變槳系統(tǒng)、雷電保護(hù)系統(tǒng)、液壓和冷卻系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)基本可分為兩種類(lèi)型:恒速恒頻(CSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng),變速恒頻(VSCF)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能然后給電網(wǎng)供電時(shí),只有發(fā)電機(jī)輸出的電能滿(mǎn)足與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,才能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。即使風(fēng)速發(fā)生變化,發(fā)電機(jī)也要保持轉(zhuǎn)速不變化,從而使其輸出電能的頻率仍與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,這種系統(tǒng)稱(chēng)為恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。當(dāng)風(fēng)速發(fā)生變化時(shí),發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的變化而發(fā)生改變,再運(yùn)用控制方法使其輸出電能的頻率仍與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,這種系統(tǒng)稱(chēng)為變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有多種,如交流-直流-交流系統(tǒng)、磁場(chǎng)調(diào)制發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)、無(wú)刷雙饋發(fā)電機(jī)系統(tǒng)等,這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機(jī)與電力電子裝置相結(jié)合實(shí)現(xiàn)變速恒頻的,有的是通過(guò)改造發(fā)電機(jī)本身機(jī)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)變速恒頻的。

2 雙饋發(fā)電系統(tǒng)

雙饋發(fā)電系統(tǒng)是一種變速恒頻系列,采用的發(fā)電機(jī)為轉(zhuǎn)子交流勵(lì)磁雙饋發(fā)電機(jī),其結(jié)構(gòu)與繞線(xiàn)式異步電機(jī)類(lèi)似。當(dāng)風(fēng)速變化引起轉(zhuǎn)速變化時(shí),控制轉(zhuǎn)子電流的頻率,可使定子頻率恒定,即應(yīng)滿(mǎn)足:

f1=pfm±f2

式中:f1——定子電流頻率,與電網(wǎng)頻率相同;

fm——轉(zhuǎn)子機(jī)械頻率,fm=n/60;

p——電機(jī)的極對(duì)數(shù);

f2——轉(zhuǎn)子的電流頻率。

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意如圖1所示,定子繞組接工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率、相位、幅值和相序的三相電源激勵(lì),一般采用交-直-交變流器。雙饋發(fā)電機(jī)可以在不同的風(fēng)速下運(yùn)行,其轉(zhuǎn)速可以隨風(fēng)速的變化做相應(yīng)的調(diào)整,使風(fēng)機(jī)運(yùn)行始終處于最佳狀態(tài),提高風(fēng)能的利用率。同時(shí)通過(guò)控制饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流參數(shù),不僅可以保持定子輸出的電壓和頻率不變,還可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙饋發(fā)電機(jī)能變速恒頻運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)機(jī)組和電網(wǎng)的柔性連接,從而大大緩解機(jī)組軸系的機(jī)械應(yīng)力,并降低系統(tǒng)成本。

圖1 雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)示意

雙饋型風(fēng)力發(fā)電機(jī)通過(guò)直接連接電網(wǎng)的定子饋入2/3額定功率,通過(guò)轉(zhuǎn)子饋入1/3額定功率。變流器用于控制發(fā)電機(jī)的速度和功率因數(shù),允許機(jī)組工作在更寬的發(fā)電速度范圍,同時(shí)產(chǎn)生無(wú)功功率,以支撐電網(wǎng)的能力。電氣傳動(dòng)系統(tǒng)分為定子主回路、主勵(lì)磁回路和起動(dòng)回路,元器件通常都在變流器柜中。

定子回路中一般選用萬(wàn)能式斷路器或塑殼斷路器用于保護(hù)發(fā)電機(jī)和電纜,提供快速、可靠的短路和過(guò)載保護(hù),還為發(fā)電機(jī)維修提供隔離。風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常處于非額定狀態(tài),導(dǎo)致主回路頻繁切換,每年高達(dá)2 000～5 000次,所以采用風(fēng)電專(zhuān)用接觸器來(lái)分合切換發(fā)電機(jī)主回路和斷路器配合,能夠延長(zhǎng)斷路器的使用年限。

轉(zhuǎn)子電路的勵(lì)磁電路由變流器控制。變流器的電網(wǎng)側(cè)安裝接觸器,用于電路的分合切換,同時(shí)也可以加裝斷路器或熔斷器,起到線(xiàn)路的保護(hù)及與接觸器短路保護(hù)配合。

雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)組采用的斷路器控制器具備觸頭磨損報(bào)警功能,能夠及時(shí)提醒用戶(hù)斷路器觸頭的狀態(tài),但接觸器卻不具備該功能。接觸器作為分合切換定子和轉(zhuǎn)子回路的關(guān)鍵元器件,如果出現(xiàn)主觸頭磨損嚴(yán)重,不能及時(shí)得到維護(hù)和更換,影響機(jī)組的可靠性和持續(xù)性,所以對(duì)風(fēng)電專(zhuān)用大功率接觸器壽命監(jiān)控及預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行深入的研究。

3 風(fēng)電接觸器電壽命和預(yù)警系統(tǒng)理論研究

3.1 接觸器壽命指標(biāo)分析

使用壽命是反映接觸器和斷路器等執(zhí)行元件運(yùn)行可靠性的一項(xiàng)重要性能指標(biāo),而影響使用壽命的決定性因素是觸頭的電磨損[3-6]。在斷路器使用壽命監(jiān)測(cè)方面,一種比較簡(jiǎn)便的方法是根據(jù)斷路器的電壽命曲線(xiàn)對(duì)分?jǐn)嚯娏骷訖?quán)累計(jì),但由于斷路器單次分?jǐn)嚯娏飨嗖詈艽?觸頭燒損機(jī)制不同,損傷量差別很大,因此單純考慮累積的分?jǐn)嚯娏鞑荒苋〉美硐氲谋O(jiān)測(cè)效果。文獻(xiàn)[3]提出相對(duì)電磨損的概念,即在總磨損量保持一定的基礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)斷路器每一次分?jǐn)鄷r(shí)的相對(duì)電磨損量進(jìn)行累積,來(lái)判斷剩余電壽命,然而影響觸頭的電磨損量不僅是分?jǐn)嚯娏?還包括燃弧時(shí)間。針對(duì)這一問(wèn)題,文獻(xiàn)[4]考慮燃弧時(shí)間,改進(jìn)高壓斷路器的電壽命監(jiān)測(cè)方法。

在接觸器使用壽命監(jiān)測(cè)方面,文獻(xiàn)[7]對(duì)交流接觸器的分?jǐn)嚯娏骱腿蓟r(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè),根據(jù)觸頭的電磨損機(jī)制,研究任意分?jǐn)嚯娏飨碌碾娔p計(jì)算方法,可以較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)交流接觸器的剩余電壽命。國(guó)內(nèi)部分企業(yè)及科研機(jī)構(gòu)也對(duì)接觸器的壽命監(jiān)控進(jìn)行研究。例如,西安開(kāi)天鐵路牽引電器有限公司2010年公布一種帶計(jì)數(shù)器的電磁接觸器,有助于減少機(jī)車(chē)不必要的維修[8];北京首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司2015年公布一種接觸器壽命監(jiān)控裝置,可以實(shí)時(shí)記錄接觸器的動(dòng)作次數(shù),并在上位機(jī)中顯示[9]。

文獻(xiàn)[10]提到通過(guò)CPU測(cè)量接觸器閉合過(guò)程中線(xiàn)圈回路和觸頭回路的電流幾個(gè)變化點(diǎn)時(shí)刻,計(jì)算出觸頭超程是否接近磨損極限來(lái)判斷接觸器壽命是否終了,因觸頭被磨損時(shí)超程減小。

目前公布的接觸器使用壽命監(jiān)測(cè)技術(shù)多是在接觸器面板上顯示其動(dòng)作次數(shù),不能滿(mǎn)足大規(guī)模分布式風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)際使用要求。擬實(shí)時(shí)采集各接觸器的動(dòng)作次數(shù)和動(dòng)作電流信息,并傳遞至監(jiān)控室,然后由上位機(jī)計(jì)算剩余壽命,并在達(dá)到閾值時(shí)進(jìn)行報(bào)警,提示用戶(hù)做好更換準(zhǔn)備,便于用戶(hù)在監(jiān)控室全面監(jiān)控各位置的接觸器剩余壽命情況,可以節(jié)約檢修和維護(hù)成本,縮短維修周期,提高供電可靠性。

3.2 影響設(shè)備準(zhǔn)確度的關(guān)鍵點(diǎn)

(1) 準(zhǔn)確揭示分?jǐn)嚯娏鳌⑷蓟r(shí)間、滅弧介質(zhì)、冷卻條件等因數(shù)對(duì)接觸器壽命的影響,是提高接觸器運(yùn)行使用壽命估算模型精度的關(guān)鍵。

(2) 實(shí)時(shí)監(jiān)控接觸器動(dòng)作,并判斷接觸器動(dòng)作是否正常,剔除外部原因引起的不正常動(dòng)作計(jì)數(shù),是提高接觸器動(dòng)作次數(shù)信息采集準(zhǔn)確度的關(guān)鍵。

(3) 如何實(shí)現(xiàn)接觸器動(dòng)作次數(shù)的動(dòng)作電流信息的遠(yuǎn)距離傳送,并在剩余壽命報(bào)警時(shí)準(zhǔn)確定位需要更換的接觸器。

3.3 方案介紹

方案示意圖如圖2所示。完整的接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)由上位監(jiān)控系統(tǒng)HMI、 PLC系統(tǒng)、PLC 數(shù)字量輸出模塊、PLC 數(shù)字量輸入模塊、接觸器線(xiàn)圈、接觸器觸點(diǎn)、直流電源、以太網(wǎng)線(xiàn)、背板總線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)等組成,實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸器進(jìn)行電壽命次數(shù)記錄;通過(guò)通信總線(xiàn)將已使用的次數(shù)傳遞至上位機(jī);當(dāng)接觸器達(dá)到使用壽命預(yù)警值時(shí),由上位機(jī)向監(jiān)控中心發(fā)送預(yù)警警報(bào)。

圖2 方案示意圖

接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖3所示,其基本步驟如下:

(1) 讀取PLC 系統(tǒng)時(shí)間。

(2) 監(jiān)控接觸器動(dòng)作。

(3) 判斷接觸器動(dòng)作是否正常,如果不正常,則記錄不正常次數(shù),并判斷是否為外部條件(如線(xiàn)虛接或接觸器線(xiàn)圈電源斷開(kāi))所引起,如為外部原因,則恢復(fù)外部,并把不正常的次數(shù)清0。如果是接觸器本身的原因,則判斷不正常次數(shù)是否達(dá)到限制值,如果達(dá)到限制值,則報(bào)警,并更換接觸器。

(4) 如果接觸器動(dòng)作正常,則循環(huán)計(jì)數(shù)。

(5) 比較是否達(dá)到該設(shè)備壽命值。如果達(dá)到壽命值,則進(jìn)行更換,復(fù)位對(duì)應(yīng)設(shè)備使用次數(shù),并記錄更換時(shí)間。

圖3 接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

(6) 沒(méi)有達(dá)到壽命值,則繼續(xù)執(zhí)行計(jì)數(shù)功能。

3.4 具有壽命監(jiān)控及預(yù)警功能的智能接觸器

新型智能接觸器通過(guò)通信系統(tǒng)將每臺(tái)接觸器使用壽命進(jìn)行信息傳遞,在監(jiān)控室能夠全面監(jiān)控各個(gè)位置的接觸器壽命情況(包括電流和電壓參數(shù));除監(jiān)控使用壽命外,新型智能接觸器還具有剩余壽命預(yù)報(bào)警功能,可以結(jié)合接觸器廠(chǎng)家提供的接觸器使用壽命與操作次數(shù)進(jìn)行對(duì)比設(shè)置,即將到使用壽命時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)警,提醒用戶(hù)及早準(zhǔn)備備品進(jìn)行更換,避免系統(tǒng)的故障運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

交流接觸器應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)時(shí)具有數(shù)量多、分布廣等特點(diǎn),研究其壽命監(jiān)控及壽命預(yù)警系統(tǒng)具有較高的工程實(shí)用價(jià)值,并且后續(xù)還可將成果推廣應(yīng)用于系統(tǒng)中其他元器件的壽命監(jiān)控。

[1]陳德桂.智能電網(wǎng)與低壓電器新的發(fā)展[J].電氣制造,2012(4):23-27.

[2]何瑞華.我國(guó)智能低壓配電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(11):1-6.

[3]郭賢珊,王章啟.高壓斷路器觸頭電壽命預(yù)測(cè)的研究[J].高電壓技術(shù),1999,25(3):43-44.

[4]關(guān)永剛,黃瑜瓏,錢(qián)家驪.真空斷路器電磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)[J].高壓電器,2001,37(4):1-3.

[5]PONSA,SABOTA,BABUSCIG.Electricalenduranceandreliabilityofcircuit-breakers:commonexperienceandpracticeoftwoutilities[J].IEEETransonPWRD,1993,8(1):168.

[6]王章啟,賢珊,吳暉,等.高壓斷路器開(kāi)斷參數(shù)的監(jiān)測(cè)與記錄[J].電網(wǎng)技術(shù),1996,20(5):22-25.

[7]袁金麗,李奎,王堯,等.交流接觸器電壽命監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究[J].低壓電器,2011(17):7-10.

[8]西安開(kāi)天鐵路牽引電器有限公司.一種帶計(jì)數(shù)器的電磁接觸器:中國(guó),ZL200920034162.1[P].2010-05-05.

[9]北京首鋼自動(dòng)化信息技術(shù)有限公司.接觸器壽命監(jiān)控裝置:中國(guó),ZL201420581448.2[P].2015-01-21.

[10]卜浩民.交流接觸器的智能化綜述[J].電器與能效管理技術(shù),2017(1):32-38.