文 | 姜山

風力發(fā)電是21世紀日益重要的綠色電力。隨著風電技術(shù)水平的快速發(fā)展，機組的可靠性和不間斷運行時間也在逐漸提高和增加，風力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成為目前相對成熟、極具規(guī)?；_發(fā)和商業(yè)化發(fā)展的新能源技術(shù)。

對投運時間較長的老風電場來講，隨著運行時間的延長，機組部件的老化、損耗現(xiàn)象開始顯現(xiàn)：如偏航齒輪面的磨損，將導致偏航噪音加大，并引起偏航振動超出限定值；變槳系統(tǒng)的老化，致使變槳動作不能準確執(zhí)行，風能捕獲效率降低。由此加強主要部件的缺陷處理，并不斷尋求機組并網(wǎng)運行后部件的最佳運行方式，是降本增效的有效手段之一。

本文通過對風電機組并網(wǎng)開關(guān)回路中存在問題的分析，提出切實可行的技改措施，為機組的可靠運行奠定基礎(chǔ)。

風電場概況

本文所涉及的風電場地處河北省壩上地區(qū)尚義縣境內(nèi)，一期項目于2005年并網(wǎng)發(fā)電，至2008年第四期項目建設(shè)期結(jié)束時，總裝機容量達到18.3萬千瓦，共安裝122臺單機容量為1500千瓦的雙饋機組。升壓站內(nèi)安裝4臺5萬千伏安主變壓器，通過兩路110千伏架空線路送出，并入國家電網(wǎng)公司張北220千伏變電站。

風電機組并網(wǎng)開關(guān)存在的主要問題

一、并網(wǎng)開關(guān)動作頻繁

風電場內(nèi)一、二、三期風電機組為國內(nèi)投運時間較早、型號偏老的風電機組，該系列的89臺風電機組采用AEG ME1607并網(wǎng)開關(guān)與網(wǎng)側(cè)同步，進行投入和切出。

目前一期風電機組自2005年投運以來，運行時間已達13年，并網(wǎng)開關(guān)的平均動作次數(shù)已超過8000次。根據(jù)風電機組維護保養(yǎng)手冊要求，并網(wǎng)開關(guān)的設(shè)計壽命為10000次，屆時需要全面更換。根據(jù)實際運行情況，并網(wǎng)開關(guān)機械結(jié)構(gòu)在動作5000次后就需要進行維修、保養(yǎng)，如果機械結(jié)構(gòu)損壞嚴重，視為無檢修價值。2012與2013年89臺風電機組中更換并網(wǎng)開關(guān)的數(shù)量分別為19臺和23臺。2014年風電機組故障更換并網(wǎng)開關(guān)29臺次，費用約200萬元。并網(wǎng)開關(guān)故障次數(shù)呈逐年上升趨勢，造成較大的采購、維修成本和巨大的發(fā)電量損失。

運行情況表明，風電機組通過并網(wǎng)開關(guān)與網(wǎng)側(cè)同步投切存在一些弊端和安全隱患。若并網(wǎng)開關(guān)不能正確脫扣將導致聯(lián)軸器打滑損壞、頻繁報出[141]故障，使得發(fā)電量受損進而損壞并網(wǎng)開關(guān)、crowbar、變頻器等零部件。

二、儲能電機連接環(huán)失效

每一次并網(wǎng)開關(guān)的閉合，都會觸發(fā)儲能電機為并網(wǎng)開關(guān)儲能，隨著動作次數(shù)的增加，儲能電機與儲能機構(gòu)的連接銅環(huán)磨損嚴重以致失效，無法使儲能機構(gòu)恢復到工作位置，此時儲能電機會一直工作直至發(fā)熱燒毀。隨著風電機組投運時間的延長，儲能電機過熱燒毀次數(shù)也逐年增多。

儲能電機過熱燒毀后，除了風電機組無法正常工作，還會導致整個并網(wǎng)開關(guān)線路及繼電器的損壞，屆時只能將并網(wǎng)開關(guān)整體更換。并網(wǎng)開關(guān)購買費用大概在10萬元左右，而替換下的并網(wǎng)開關(guān)近乎報廢，維修價值不大（文中風電場每年因此種情況而更換并網(wǎng)開關(guān)的機組有十臺左右）。另外儲能電機過熱所導致的潛在危險也很大，過熱將會在開關(guān)柜內(nèi)產(chǎn)生明火，而并網(wǎng)開關(guān)的外殼、繼電器等部分都是塑料制品，若不能得到及時有效控制，會導致風電機組塔基的整體失火。

針對上述問題采取的措施

風電場運行檢修人員通過運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，機組在切入風速的時間段內(nèi)并網(wǎng)開關(guān)頻繁動作，會縮短開關(guān)壽命。根據(jù)電氣原理分析，可通過加裝接觸器減少并網(wǎng)開關(guān)的分合；將ME1607老款型號的并網(wǎng)開關(guān)逐步更換為ME1609新型號的并網(wǎng)開關(guān)；對并網(wǎng)開關(guān)的儲能電機回路進行改造，防止儲能電機損壞等三種方式解決上述并網(wǎng)開關(guān)運行存在的問題。

圖1 K1接觸器回路圖

一、加裝K1接觸器減少并網(wǎng)開關(guān)分合次數(shù)

近年來，針對該風電場89臺風電機組并網(wǎng)開關(guān)的頻繁損壞以及并網(wǎng)開關(guān)無法脫網(wǎng)等情況，首先采取的措施是：在回路中增加一個接觸器來代替開關(guān)進行并網(wǎng)、脫網(wǎng)等電氣動作，在減少并網(wǎng)開關(guān)分合次數(shù)增加其使用壽命的同時，大大提高風電機組的電氣安全性能。

同時，減少了由于并網(wǎng)開關(guān)故障停機所引發(fā)的變頻器等其他元件的損壞，大大增加了風電機組的穩(wěn)定性。

（一）改造方案

通過對比國內(nèi)外其他品牌風電機組的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的風力發(fā)電機組是通過接觸器實現(xiàn)與網(wǎng)側(cè)同步、依靠并網(wǎng)開關(guān)實現(xiàn)保護功能的。這也符合供、配電設(shè)計的規(guī)范和要求。

2013年該風電場對5臺風電機組（2#、5#、9#、29#、33#）進行技術(shù)改造，使機組與電網(wǎng)的同步由一個獨立的接觸器來實現(xiàn)（圖1），這有助于預(yù)防變頻器的主要故障及其他電氣問題，并延長風電機組中并網(wǎng)開關(guān)的工作壽命。

圖2 機組與電網(wǎng)功率交換示意圖

并網(wǎng)開關(guān)改造主要工作為加裝接觸器及相應(yīng)程序重新寫入，K1接觸器改造主要由柜體本身和外接電纜兩部分構(gòu)成。

K1接觸器的平均壽命（用作并網(wǎng)開關(guān)時）為10萬次，其日常維護和檢修量顯著減少（新K1接觸器經(jīng)電機工程學會認可的電弧測試后獨立安裝）。

發(fā)電機通過接觸器與網(wǎng)側(cè)同步，依靠斷路器實現(xiàn)過流、過壓等保護功能的改造方法，符合供、配電的設(shè)計規(guī)范和要求（圖2）。

根據(jù)風電機組的具體結(jié)構(gòu)，接觸器柜體可安裝于塔底低壓柜頂部或底層平臺，為后期維護提供便利（圖3）。

通過加裝K1接觸器來實現(xiàn)風電機組與網(wǎng)側(cè)同步的方案具有以下優(yōu)點：

1.減少并網(wǎng)開關(guān)維護和檢修的相關(guān)費用。利用接觸器的通斷實現(xiàn)風電機組并網(wǎng)，接觸器的開合次數(shù)6倍于并網(wǎng)開關(guān)的開合次數(shù)，因此無需再更換并網(wǎng)開關(guān)，節(jié)省了并網(wǎng)開關(guān)每三年的維護、檢修費用；

2.減少相關(guān)設(shè)備如變頻器、低壓柜等的維修成本；

3.減少故障次數(shù)和風電機組停機時間；

4.增強并網(wǎng)開關(guān)的可靠性。

（二）安裝效果

在2014年1月至2015年6月期間，已經(jīng)安裝K1接觸器的5臺機組（2#、5#、9#、29#、33#）運行可靠性進一步提高，并網(wǎng)開關(guān)每年的動作次數(shù)大大減少，故障率為零，通過與其他未加裝K1接觸器的機組對比發(fā)現(xiàn)，故障時間也明顯減少（表1）。

通過并網(wǎng)開關(guān)的動作次數(shù)可以看出，加裝K1接觸器后，并網(wǎng)開關(guān)動作次數(shù)幾乎可以忽略不計，可保證機組運行20年不更換并網(wǎng)開關(guān)。

二、將并網(wǎng)開關(guān)由ME1607升級為ME1609

對比國內(nèi)外其他品牌風電機組的設(shè)計發(fā)現(xiàn)，有相當數(shù)量的風力發(fā)電機組是通過與網(wǎng)側(cè)同步的框架式斷路器實現(xiàn)保護功能的。目前 ME1607并網(wǎng)開關(guān)（即框架式斷路器）國內(nèi)組裝廠已停產(chǎn)，并且AEG中國銷售公司沒有存貨，每次購買備件需要從國外進貨，周期較長。根據(jù)這一情況，通過開展并網(wǎng)開關(guān)產(chǎn)品的替代試驗，實現(xiàn)ME1609型并網(wǎng)開關(guān)對ME1607型并網(wǎng)開關(guān)的替代。同時ME1609型并網(wǎng)開關(guān)設(shè)計壽命高達20000次，遠高于 ME1607型并網(wǎng)開關(guān)10000次的設(shè)計壽命。

（一）替代方案

利用AEG公司升級產(chǎn)品ME1609型并網(wǎng)開關(guān)垂直替代AEG ME1607型并網(wǎng)開關(guān)，只增加并網(wǎng)開關(guān)底座轉(zhuǎn)接板和二次插頭引線即可。ME1609型并網(wǎng)開關(guān)保護性能要優(yōu)于AEG ME1607型并網(wǎng)開關(guān)，且ME1609型并網(wǎng)開關(guān)跳、合閘線圈損壞后可以單獨更換，其他附件損壞也可以單獨更換，節(jié)省了整體更換并網(wǎng)開關(guān)的高額費用。

2014年10月該風電場完成了2臺風電機組（37#、38#）并網(wǎng)開關(guān)的升級改造工作。并網(wǎng)開關(guān)改造主要工作為ME1609型并網(wǎng)開關(guān)底座重新制作、銅排重新制作、二次接線插頭重新制作，這些改造工作在并網(wǎng)開關(guān)組裝廠內(nèi)完成后運至現(xiàn)場。

圖3 部件安裝位置示意圖

表1 運行數(shù)據(jù)對照表

1.ME1607型并網(wǎng)開關(guān)升級為ME1609型并網(wǎng)開關(guān)后所對應(yīng)圖紙（圖5）。

2.改造完成后現(xiàn)場圖片（圖6）。

（二）替代效果

風電場37#、38#機組進行并網(wǎng)開關(guān)的升級替代后，機組運行穩(wěn)定，未發(fā)生與并網(wǎng)開關(guān)相關(guān)的故障，目前該風電場正在逐步進行替代改造工作。

三、并網(wǎng)開關(guān)加裝儲能電機保護回路

圖4 K1加裝完工實際效果圖

圖5 并網(wǎng)開關(guān)替代對應(yīng)圖紙

改造前，儲能電機直接接到并網(wǎng)開關(guān)端子排上，供電方式由微開關(guān)來控制通斷（圖7），若連接環(huán)磨損，儲能機構(gòu)不能儲能到位，則儲能電機供電回路一直保持電源接通方式，直到儲能電機燒毀。

（一）改造后的運行方式

如圖8所示，在儲能電機供電回路的末端加裝串聯(lián)的延時斷開繼電器和溫差檢測裝置。連接環(huán)損壞后，若電源持續(xù)接通，則由通電延時繼電器將回路斷開。若延時繼電器損壞不能斷開回路，也會造成儲能電機的持續(xù)運行，致使電機發(fā)熱燒毀，此時，溫差檢測裝置檢測到電機與外部環(huán)境溫差大于設(shè)定值后，立即斷開供電回路，避免儲能電機持續(xù)運行發(fā)熱燒毀。

（二）并網(wǎng)開關(guān)加裝保護回路取得的成果

風電場于2017年6月開始針對20臺風電機組的并網(wǎng)開關(guān)儲能電機加裝保護回路，通過加裝的保護回路及時將供電斷開，避免了儲能電機的持續(xù)運行發(fā)熱燒毀，節(jié)約購買儲能電機費用約20萬元。預(yù)計到今年年底，將全部完成并網(wǎng)開關(guān)儲能電機保護回路加裝工作。

圖6 升級改造后現(xiàn)場圖片

圖7 儲能電機供電回路圖紙

圖8 加裝控制回路后儲能電機供電回路圖紙

結(jié)語

2013年以來，該風電場對風電機組ME1609型并網(wǎng)開關(guān)采取多項措施進行改造，改造后機組并網(wǎng)開關(guān)運行可靠性大大提高，采購費用明顯降低，同時替代產(chǎn)品的實施有效解決了進口備件采購難、周期長的問題。