變速恒頻空載技術在風機改造中的應用

晉能清潔能源風力發電有限責任公司 楊利軍

風力發電所產生的電源屬于清潔能源，是現代社會大力倡導的能源生產模式。在具體進行風力發電過程中，發電機轉速會隨著風速變化而發生改變，需要通過科學控制的方式。保證生產過程的穩定性和最終生產產品質量，以便為廣大用戶提供更加優質的電力資源。強調需要通過運用有效控制手段獲得恒定頻率的方式，保證風力發電生產能夠順利進行，而變速恒頻技術就是一種較為有效的頻率控制技術。

1 變速恒頻空載技術

所謂變速恒頻技術，指的是在進行風力發電過程中，發電機轉速會隨著風速變化而發生改變，會通過運用有效控制手段獲得恒定頻率的技術模式。在具體應用過程中，會對發電機，轉子電流頻率以及大小等各項內容進行調整，通過科學對轉速進行調節的方法，確保能夠在較寬風速范圍內，保持近乎恒定最優葉尖速比，確保能夠達到風能轉化效率最大化的目標[1]。會通過運用有效控制策略，對系統有功功率以及無功功率進行靈活調控的方式，確保風電網運行質量能夠得到有效提高，保證風電場并網的穩定程度。

該項技術能夠通過對控制系統以及風能進行充分應用的方式，達到切實提高風電技術應用水平的目標，是現代風電生產主流應用技術。在具體進行應用時，會按照風力發電具體類型，通過將分布式風力發電和其他發電模式有機融合在一起的方法，形成較為完善的控制模式，科學進行風能發電[2]。例如，可以將太陽能發電和風力發電結合在一起，通過形成風光互補的發電系統，保證最終發電質量。

2 變速恒頻空載技術在風機改造中的應用

2.1 項目基本情況介紹

本次項目為某風電場安裝60臺華儀風能有限公司（以下簡稱：華儀）HW3/S2500（121）風力發電機組項目，變頻器系統配套北京科諾偉業科技股份有限公司（以下簡稱：科諾）KN-CVT2500-DF-2變頻器。于2018年2月14日起，電場開始投產并網，實施風機陸續并網。本次項目擬對變頻器故障發生率最高10臺風機進行變頻器改造，整體改造技術相對較為成熟，且備品備件供應可靠，會選擇市場占有率較高的變頻器進行改造處理，能夠達到有效提升發電總量，降低備品費用成本的目標。

2.2 改造必要性分析

該電場風機已經運行一段時間，變頻器內部存在故障逐年增加以及元器件老化等方面的情況，故障的高頻率發生時的發電量，以及風機運行安全均受到嚴重影響。通過對風機變頻器運行問題的研究發現，各項問題主要集中在以下幾個方面：一是2019年科諾公司已逐步退出風電市場，現場存在技術支持、優化升級、備件獲取困難等一系列問題；二是科諾生產的KN-CVT2500-DF-2變頻器電網適應性較差。電網發生諧振時，在諧振點附近電流增大，導致濾波電容過流燒毀。風電場投運至今風機變頻器濾波電容鼓包、漏液發生16臺次，風機變頻器濾波電容燒毀故障發生9臺次，功率單元擊穿發生41臺次；三是根據2019—2022年風電機組運行數據統計，變頻器故障占比高，變頻器故障損失電量占比高。

表1 2019—2022年風電機組運行故障數據統計

圖1 風機變頻器

2.3 具體改造技術方案

在具體進行改造過程中，會對10臺故障發生率最高的變頻器進行調整，將整機更換為市場占有率較高的變頻器設備。通過進行市場調查的方式，完成10臺市場占有率較高的變頻器采購。同時，會對原有變頻器實施保護性拆除操作，將其運輸到電場升壓站之中，確保能夠通過對拆下變頻器內部元器件進行分類和打包處理的方式，移交庫房管理員進行管理，方便后續二次應用和折舊處理。在完成新變頻器安裝之后，需要對整機主控系統以及變頻器進行調試，保證變頻器能夠處于穩定運行狀態。

2.4 項目具體實施方式

為保證采購成本和采購公平性，本次項目采用公開招標采購方法，將風機整機生產制造廠家或風機變頻器生產制造廠家作為投標人，公開組織進行招標，預計10臺變頻器改造項目費用見表2。

表2 10臺風電機組變頻器改造項目費用

2.5 改造項目實施具體要求

2.5.1 解決變頻器備件緊缺問題

在具體進行改造過程中，需要對更換下來的變頻器零部件進行二次利用，將其作為風機變頻器備件進行使用，妥善解決變頻器備件緊缺和采購困難的問題[3]。運用此種方式能夠將拆卸下來的10臺風機變頻器，作為機主變頻器備件進行應用，可以達到每年節約130萬元左右采購成本的目標。同時，風機故障停機時間的不斷減少，也能夠保證風機可利用時長可以得到切實延長，會大幅度降低風機故障損失電量，保證電量收入能夠得到不斷提高。

2.5.2 強化設備可靠程度

經過改造方式解決變頻器故障過高，以及配件消耗較大等方面的問題，有效規避變頻器設計方面缺陷[4]。通過進行合理改造的方式，嚴格控制故障停機時間，保證風機可利用時長，減少因為風機故障所造成的各種電量損失問題。

2.5.3 提升電網適應性

確保改造之后所使用的新變頻器能夠具備電網適應能力較強的特點，可以在劣質電網環境中進行使用，變頻器整體故障發生概率能夠被控制在合理范圍之內，解決現階段變頻器使用存在的各種問題[5]。

3 改造新變頻器情況說明

3.1 改造基本內容介紹

變頻器主要包括功率柜、并網柜以及配電柜，將配電柜和并網柜融為一體，對柜體進行拆解處理，組成功率柜和配電柜加配網柜的模式。變頻器尺寸需要和科諾變頻器保持一致，確保能夠直接進行更換。在進行功率電纜安裝過程中，需要將電網功率線纜和轉子功率線纜安裝銅排出線方式作為下出線，將定子功率電纜為上出線，按照能夠和原科諾變頻器相兼容的原則，設置出線方式。運用PB 通訊進行風機主控以及變流器之間的通信，做好通訊調試工作。

3.2 變頻器改造實施方案

3.2.1 具體改造流程

在具體進行變頻器改造之前，需要先對原有變頻器進行拆解，并且將拆解后的零部件進行分門別類，展開新變頻器的部件和單柜拆解，在塔基內進行組裝。在完成安裝之后，需要進行調試，通過并網發電的方式，確定變頻器使用是否合理。

3.2.2 做好改造前期準備工作

為確保后續改造工作能夠順利進行，需要做好前期各項準備工作，保證改造工作能夠高質量進行。首先需要確認新變頻器技術選型，確保其安裝尺寸以及安裝接口等各項內容能夠和機組使用要求相符合。在進行變頻器拆解過程中，對部分扎線段進行裁剪，屬于不可恢復拆解模式。操作時可能會出現螺釘掉落的狀況，需要通過增加延長線的方式，做好準備輔料的準備，確保能夠更好地完成后續各項改造工作。

3.2.3 變頻器拆解處理

在對原有變頻器進行拆解處理過程中，需要在變頻器和風機完全停止之后才能處理，在關閉UPS電源和斷路器之后，需要斷開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點。

通過對萬用表的應用，對變頻器各部分電壓情況進行測量，在所有電壓數值達到零之后，便可以先進行功率模塊，以及并網接觸器等大重量部分的拆除，將其搬運到風機外部，并做好防護管理。在進行信號以及功率等電線電纜拆除過程中，需要通過對標簽的應用，對轉子功率線纜以及定制功率線纜等進行標記，防止出現線纜混淆問題，做好主控通訊信號線以及變頻器功率線纜等內容的拆除。

3.2.4 新變頻器安裝

對新變頻器進行拆解，并逐一完成并網接觸器以及主斷路器等各項內容的安裝，并且在安裝完成之后，做好柜體固定，通過進行檢查的方式確定所有安裝是否符合要求，及時對存在的質量問題進行調整，保證整體安裝效果。完成設備安裝之后，再進行電線電纜安裝。根據之前設置線標，展開功率線的安裝，保證新變頻器電網功率線纜，以及定子線纜等位置能夠與原變頻器處于相近狀態。在對電線電纜安裝準確性進行全面檢查之后，運用螺釘進行緊固處理，并通過對防火泥的使用，對線孔展開封堵。

3.2.5 并網調試

在完成所有安裝之后，再進行并網調試。首先，應進行上電前檢查，對變頻器內部以及頂部等位置進行檢查，確定是否存在遺落工具等方面問題，按照設計要求和力矩要求，做好轉子線以及定子線等連接和緊固處理；其次，按照一定順序進行上電，展開開環發波以及其他一系列測試，通過運用單步調試的方法，操作機組啟動機器，按照一定步驟進行后臺數據的添加，對各項參數狀態進行實時監控；最后，將變頻器轉換為主控控制模式，確保機組能夠處于正常運行狀態。

3.3 改造結果分析

在完成改造之后，技術人員對改造之后的變頻器展開了運行測試，按照測試結果發現，使用新型變頻器設備，能夠妥善解決原有風機故障發生頻率過高的問題，整體風機運行有效性以及穩定性得到切實提升。此外，在使用新型變頻器之后，原有變頻器設計存在的缺陷問題得到妥善解決，故障停機時間得到嚴格管控，風機利用時長得到有效延長，各種電量損失問題得到了妥善解決，實現了節能降耗的目標。

在使用新變頻器之后，達到了和電網進行有效配合的目標，能夠在電網中進行合理使用，即便在劣質電網環境中，也能夠將故障發生概率控制在允許范圍之內，滿足了改造之前所提出的各項要求，表明本次改造工程符合預期，達到了預期改造結果。強調管理人員需要總結本次改造成功的經驗，針對新變頻器所具有的性能以及風力發電具體要求，制定出較為有效的優化方案以及后續管理方案，確保變頻器使用能夠處于理想狀態，能夠更好地為風力發電工作開展提供助力，并且能夠通過進行經驗總結的方式，為后期類似工程開展提供可靠依據，保證該電廠整體生產效能可以得到切實提升。

為解決風機運行方面問題，確保風力發電產量能夠得到有效提高，需要加大對變頻器問題的研究力度，按照變速恒頻技術的應用要求，對變頻器進行改造和調整，確保能夠通過對新變頻器的應用，完成對原有發電系統的有效調整，保證系統存在的問題能夠得到妥善解決，進而實現理想化風機運行模式，高質量完成產電等一系列任務，為電場獲得更加可觀的經濟效益。