郭盼梁
(國家電投集團湖北電力有限公司風電分公司)
風力發(fā)電為節(jié)省成本,通常在近海、山區(qū)、草原等地設置風力發(fā)電場,其與火力發(fā)電不同,機組數(shù)量幾十上百,且每臺機組相距較遠,對集控室要求較高。而風機變流器是電力調(diào)頻輸出的重要部分,由于所處環(huán)境惡劣,油污臟水、高溫濕熱、強電磁干擾,加上自身電路復雜,需承受大電流、高電壓狀態(tài),容易發(fā)生故障,未能及時處理將會造成機組運行異常,影響風場生產(chǎn)。為保證風電場效率,提高設備安全性,需開發(fā)風機變流器監(jiān)測和診斷系統(tǒng),迅速獲得故障信息,減小停機與維修影響。
風機變流器采取三相電壓型交-直-交變流器技術,對雙饋異步風力發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁,使其定子側(cè)電壓輸出頻率、幅值、相位和電網(wǎng)相同,根據(jù)需求獨立解耦控制無功有功[1]。風機變流器由配電系統(tǒng)、主電路系統(tǒng)、控制系統(tǒng)構(gòu)成,零部件有整流模塊、并網(wǎng)開關、輸入/輸出濾波器、逆變模塊、風機、電流傳感器、監(jiān)控界面、控制器等。見圖1。
圖1 風機變流器
風機變流器在監(jiān)測過程中,采取相應監(jiān)測系統(tǒng),負責實時傳輸、顯示變流器數(shù)據(jù),使得人員能夠在界面上查看變流器情況,按時間將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫內(nèi)[2]。數(shù)據(jù)庫以硬盤為載體,以CSV形式保存文件,通過文件時間與數(shù)據(jù)類別相結(jié)合分類保存。
風機變流器監(jiān)測中,根據(jù)現(xiàn)場設備特點,以C/S架構(gòu)為系統(tǒng)架構(gòu),主要是涉及軟件下發(fā)命令,由于風場內(nèi)部網(wǎng)絡運行,命令不正確會損壞變流器,能夠提高數(shù)據(jù)監(jiān)控速度[3]。監(jiān)控系統(tǒng)為兩部分,一部分是變流器及數(shù)據(jù)前端,另一部分是上位機軟件。
網(wǎng)絡通信是連接風機變流器與監(jiān)控軟件的橋梁,支撐現(xiàn)場數(shù)據(jù)與軟件實時通信,根據(jù)變流器協(xié)議設計。監(jiān)控系統(tǒng)實時傳輸數(shù)據(jù),基于TCP/ⅠP網(wǎng)絡層協(xié)議,利用TCP協(xié)議實現(xiàn)通信,兩側(cè)網(wǎng)絡端口為通信介質(zhì),每隔一段時間,軟件向前端發(fā)送數(shù)據(jù)報文,前端獲得報文后,轉(zhuǎn)發(fā)至監(jiān)控軟件,軟件收到后返回結(jié)束報文,完成數(shù)據(jù)傳輸工作。
界面有自定義工具欄,懸浮于界面上,不會隨著界面變化進行變化,工具欄可實現(xiàn)日志顯示與視圖切換。
總界面設計中,作為上位機監(jiān)控軟件界面,負責監(jiān)控風機變流器,是使用最多界面,要求顯示更多信息,進行良好規(guī)劃,做到雜而不亂,便于人員迅速定位。根據(jù)該要求,確定將風機變流器網(wǎng)絡情況、基本指標、風機編號、工作狀態(tài)等集中至1個圖元顯示,其尺寸固定,進而根據(jù)界面窗口、風機數(shù)量,確定圖元列數(shù)與行數(shù)[4]。而圖元各要素中,左上角是風機狀態(tài),實時更新風機停轉(zhuǎn)、網(wǎng)絡通信情況,采集數(shù)據(jù)狀態(tài)。右側(cè)指標標注了關鍵風機數(shù)據(jù),包括風機轉(zhuǎn)速、無功功率、有機功率等。
實時數(shù)據(jù)界面,由于風機變流器數(shù)據(jù)較多,未能組織規(guī)劃,將無法及時獲得監(jiān)測數(shù)據(jù),且會造成視覺疲勞。為此,監(jiān)控界面中文化,分為轉(zhuǎn)子側(cè)、定子側(cè)、系統(tǒng)側(cè)、開關狀態(tài)、溫度、網(wǎng)側(cè),分別分組顯示。
智能功率模塊(ⅠPM)是變流器功率部件,存在于卸荷回路、網(wǎng)側(cè)、機側(cè),封裝了保護電路、驅(qū)動電路、絕緣柵雙極晶體管,簡化了功率驅(qū)動電路。該故障表現(xiàn)為過溫、欠壓、橋臂過流,功率驅(qū)動電路中必須保護電路,利用ⅠPM保護功能,提高其可靠性[5]。通常ⅠPM保護電路能夠為系統(tǒng)提供過溫保護、過流保護等功能,且設置相應封裝電路模式,基本結(jié)構(gòu)是三相橋臂,含有徐柳二極管,內(nèi)置驅(qū)動電路、報警輸出單路和保護電路。
ⅠPM可用于單相及三相電路之中,用戶僅需在主接線端,連接電源與負載端,即可為模塊提供能源及驅(qū)動信號,確保電路正常工作。并且,光耦外圍電路也能生成驅(qū)動信號,增強模塊性能。但是,在模塊運行中,ⅠMP內(nèi)部盡管采取一定方案隔絕噪聲,卻由于噪聲強度、種類均有所不同,如果超出防護范圍,將會造成誤動作,或是設備零件損壞的情況。而自集成限流保護功能如果檢測到誤動作后,確定電機電流較高,后續(xù)則難以確定續(xù)流二極管情況,如果電流過高,也難以進行保護。為此,ⅠPM不僅要設計自集成保護,為確保運行安全可靠,應當在主電流部分,安裝阻容保護、熔斷器保護。此外,風力發(fā)電系統(tǒng)中,ⅠPM還容易出現(xiàn)電壓或電流過高情況,瞬間電流過大,超出正常溫度,運行功率較大,也會燒毀功率開關管,甚至難以修復。功率元件被損傷后,電路結(jié)構(gòu)也會產(chǎn)生變化,影響發(fā)電功率、頻率。并且,二極管或功率管產(chǎn)生開路故障,長期運行將會徹底損壞系統(tǒng)部件,導致系統(tǒng)崩潰。因此,在故障檢測診斷中,需利用溫度傳感器,實時檢測ⅠPM模塊是否出現(xiàn)溫度超限值情況,且在反并聯(lián)二極管損壞前,快速切斷短路電流,避免故障。
風機變流器系統(tǒng)中,網(wǎng)側(cè)LCL電容熔斷器、預充電容斷器、卸荷回路熔斷器、直流母線熔斷器等均使用熔斷器,如果出現(xiàn)短路情況,則無法過流時將連接回路斷開,或是失效后,線路也無法正常連接。在使用熔斷器時,由于外界環(huán)境與電流影響,其由石英砂、玻璃、陶瓷、熔絲材料構(gòu)成,不可避免會產(chǎn)生老化。而玻璃、陶瓷物理化學性質(zhì)較為穩(wěn)定,熔斷器老化多是電極、熔絲老化。熔斷器數(shù)量較多,難以通過全部檢測對老化情況進行診斷,且一旦出現(xiàn)熔斷,無法檢定是熔斷器老化誤動作還是電路遺產(chǎn)熔斷,存在重大安全隱患。為此,在故障檢測診斷中,在監(jiān)測系統(tǒng)中將每個熔斷器材料老化限值輸入其中,確保達到限值前,系統(tǒng)自動提醒工作人員,使得人員檢查熔斷器老化情況,進而更換維修,保證熔斷器質(zhì)量。并提取最高溫度值,與鄰近同類型熔斷器比較,通過超聲波檢測技術,檢測其接線端子是否局部放電。熔斷器診斷技術應用后,其經(jīng)濟效益顯著,第一,減少故障停機時間,經(jīng)技術監(jiān)測得知風機變流器系統(tǒng)熔斷器的運行狀態(tài),一旦發(fā)現(xiàn)異常,及時傳遞報警信息,提醒工作人員前來處理,縮短故停時間,讓熔斷器盡快投入使用。熔斷器診斷技術使用后,故障停機時間整體上縮短1h到1.5h。第二,減少能源耗量。熔斷器診斷技術及時投用,能夠降低能源消耗,減少碳排放量,進而擴大企業(yè)利潤空間,并提高企業(yè)社會效益。一般來說,當熔斷器診斷技術充分應用,能夠減少碳總排放量的2%左右,即減輕環(huán)境污染,為新能源市場發(fā)展而助力。
風機變流器機側(cè)與網(wǎng)側(cè)存在電抗器,容易出現(xiàn)繞組開路、溫度過高等情況,產(chǎn)生故障。此過程中,溫度由于是緩慢提升,難以迅速捕捉溫度提升的信號,變流器不會立即停止工作,發(fā)送故障通知,僅在溫度提升至閾值后,直接發(fā)送信號,確定是否停運。同時,變流器控制計算機面對過溫故障存在一定時間間隔,相應時間內(nèi)停機信號未發(fā)出,也會自行停機,停止變流器,維護電抗器正常運行。所以,為維護電抗器,需在監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)建溫度模型,對其過載、過流等信息進行預判,如果出現(xiàn)溫度逐漸上升的問題,則考慮降額運行。
電抗器實際運行中,如果電路過流、過壓等,會對電抗器造成損壞,運行電流長期低于額定電流,主要是由于電抗器線圈與電流引入線出現(xiàn)密封開裂問題造成,與過電壓、過電流無關。并且,電抗器運行環(huán)境也會對其造成影響,工作溫度較高,外部絕緣材料會逐漸損壞、開裂,進而對其造成影響,需要根據(jù)材料壽命,以不快速老化的容許溫度為耐熱等級,計算極限溫度下材料老化速率,利用監(jiān)控平臺進行實時監(jiān)控,安裝紅外熱成像技術,評估溫度分布的同時,使用超聲波檢測查看是否受潮或絕緣破損,確保電抗器運行正常。此外,基于電抗器診斷技術及時發(fā)現(xiàn)問題,針對故障類型制定相應的處理措施。例如,某變電站安裝10kV電力電抗器,額定電壓10kV,額定電流50A。利用在線監(jiān)測系統(tǒng)(溫度模型)收集電抗器的運行數(shù)據(jù),包括電壓、電流、溫度、振動等,之后對數(shù)據(jù)清洗、整理和歸納,形成數(shù)據(jù)集。接下來運用數(shù)據(jù)預處理技術,對異常數(shù)據(jù)進行處理,如去除離群值、填補缺失值等。發(fā)現(xiàn)電抗器存在線圈松動、絕緣層老化的問題,通過線圈加固、絕緣層更換對電抗器修復。最后對電抗器性能評估,結(jié)果顯示,電抗器電抗率為6%,且絕緣耐熱等級F級,額定絕緣水平3kV/min,均達到了設計要求,最終電抗器正常運行。此外,診斷技術的有效應用,還能預防故障發(fā)生。
風機變流器傳感器故障是工作一段時間后,傳感器某瞬間偏離工作狀態(tài),分為緩變型故障與突發(fā)型故障(周期型故障、尖峰型故障、偏置型故障、漂移型故障等)。傳感器如果處于非正常狀態(tài),輸出瞬變,變化盡管較小,卻涵蓋傳感器故障信息,引發(fā)信號突變。根據(jù)傳感器信號動態(tài)性特點,確定突變點是信號奇異點,利用小波變化模擬的方法,確定信號奇異點的極大值,及各頻率信號,確定傳感器故障中,某種或幾種頻率能量變化,提取特征后,即可明確傳感器故障情況。并且,在傳感器診斷中,需要先對其故障與否加以判斷,進而確定故障位置,方能隔離相關傳感器。由于傳感器輸出信號是根據(jù)正常數(shù)值突變后,生成階躍信號或尖峰脈沖類型,通過監(jiān)控平臺,統(tǒng)計傳感器噪聲特性,結(jié)合日常運行要求,設置門限值,如果超出門限值,參數(shù)顯示于屏幕上進行預警,即可判斷某傳感器故障,對其隔離。
直流母線電容與濾波電容是風機變流器重要電容器件,失效模式體現(xiàn)為漏電流過大、電容值降低。正常運行電壓與工作溫度下,漏電流與電容器發(fā)熱小,如果電容器劣化,會逐漸增大漏電流與溫度。為此,可利用紅外線檢測技術,判斷溫度變化趨勢及分布規(guī)律,檢測電容器潛在漏電流超標故障,針對性安排維修。舉例來說,某大型工廠的電力系統(tǒng)進行紅外線檢測時,發(fā)現(xiàn)一臺電容器表面溫度異常高,達到了158℃。經(jīng)過進一步檢查,發(fā)現(xiàn)該電容器的內(nèi)部出現(xiàn)了嚴重的短路故障。由發(fā)現(xiàn)時間早、措施應用得當,避免了設備損壞和系統(tǒng)停機,降低了維修成本,止損折現(xiàn)約7000元。
綜上所述,風力發(fā)電系統(tǒng)運行中,傳統(tǒng)監(jiān)測主要是以來人員現(xiàn)場操作,產(chǎn)生故障后需要人員到達現(xiàn)場,利用筆記本電腦與串口連接獲取數(shù)據(jù),效率較低,難以準確監(jiān)控風機變流器情況。因此,在風機變流器運行中,應當結(jié)合實際情況,需設計監(jiān)控平臺,配合恰當?shù)娜嘀悄芄β誓K、熔斷器、電抗器、傳感器、電容器故障診斷技術,確保風電設備安全,進而迅速排除故障,減少維修次數(shù),提高生產(chǎn)效率。