（广东粤电湛江风力发电有限公司 524000）
摘要：随着生产生活中用电量的日益增加，风力发电机组的运行规模也越来越大。风电机组规模的扩大给风力发电机组的稳定运行带来了一些技术难题，其中比较常见的就是发电机组的输出功率问题。电网中传输的功率往往需要控制在比较稳定的范围内，这就需要风力发电机组具有稳定的运行速率。但是在自然环境中，风力强弱并不是固定不变的，而是随其他因素的微小变化而时刻变化的，进而干扰风力发电机的稳步运行，使得发电机组中稳定输出功率的控制表现出一定的难度。
关键词：风力发电机组；变流器；检修
引言：随着社会的不断发展，我国相关政策十分重视对风力发电厂的建设，尤其是风力发电机组的组建工作，在近几年间可以说呈现逐年增长的趋势，所以我国风力发电机组的数量变得越来越多，为了在激烈的市场竞争中占据有利的一面，很多企业都打价格战，但是这些部件的质量就很难得到保证，这样风力发电机组在使用率方面就无法得到提升，造成检修成本的上升，这样看来，反而会得不偿失。
一、变频器在风力发电机组中的工作原理及不同的工作方式
（1）变频器的工作原理
风力发电机在运行的过程中，将其定子直接接入电力传输网络，而转子通过变频器并入电力传输网络。只要保证定子的转速不变，即可保证稳定的电网输入功率。当风力和风速发生变化时，转子会随之改变运行速度，此时势必会干扰定子的运行速度，可以通过调节转子的励磁电流的交直流情况及频率快慢情况来控制定子的稳速运行。而转子的电流输入状况可以通过其后级的变频器来控制。一般变频器可以调节转子输入电流的频率，使定子的电流输入频率满足使用的电流工频，同时可以清除输入电流中的一些干扰电流，对电网系统中的过电压现象进行控制和保护。正是基于变频器的这些工作原理，使得变频器在风力发电机组中得到了广泛应用。
（2）变频器在风力发电机组中的工作方式
风力发电机组中的发电机大部分是异步型的，为了调节发电机的运行状态，使其与电网运行系统保持一致，变频器的使用使必然的也是不可忽视的。目前在一般风力发电机组的运行中，变频器主要存在以下三种工作方式：
（1）双馈异步发电机运行于亚同步速度的工作状态。（2）双馈异步发电机运行于超同步速度的工作状态。所谓的超同步速度是指运行速度大于需求速度的情况，当外部风力的强度使得风力发电机转子的运行速度超过正常的需求运行速度时，即为超同步阶段。此时，过大的转子运行速度会使转子的输入电流过大，进而威胁系统的输入功率的稳定性。通过变频器可以提供反向的励磁交流电流来抵消部分转子输入电流，使得最终进入系统的电流强度控制在稳定的范围内，保证风力发电机组的稳步运行。（3）双馈异步发电机运行于同步速度的工作状态。当外部风力控制下转子的运行速度达到系统需求的运行速度，且没有超过系统的同步运行速度时，变频器不需要改变转子的输入电流，此时可以只输入直流电流，将交流成分降为0。这也就是正常情况下的稳步运行状态，此时输入功率即为正常的输入功率。
二、风力发电机组的维修策略
在对发电机组进行检修的过程中，主要具有四种维修方式，一种是故障检修，一种是改进检修，一种是预防性检修，还有一种是状态检修，不同的检修方式是在不同的环境下进行的。
（1）故障检修
所谓的故障检修就是等设备发生故障后再进行维修。这种维修方式往往检修时间长，维修工作量大，更换部件多，维修费用高，且易造成事故扩大，故这种维修方式往往只用于灾害性的事故，如各种驱动模块、通讯模块、功率元件、PLC、IGBT等关键部件损毁时的维修。
（2）改进性检修
改进性检修就是对设备先天性缺陷或频发故障进行维修。一般设备投运不久，设计存在的缺陷、部件协调性不足的问题都将暴露，有些部件未经长期验证就大面积推广，造成部件故障率偏高，这时应考虑采取改进性维修，从源头上解决故障率高的问题。
（3）预防性检修
预防性检修就是按事先制定的周期，定期更换设备部件或对设备进行局部调整、紧固，这种维修方式主要是为了定期将风力发电机组各部件的状态调整到标称状态。预防性检修的核心就是要找到导致机器重复性故障或生产损失的根本原因，并加以消除。单台风力发电机组部件多达上千种，整机虽是按20a的使用寿命设计，但并不是所有部件的寿命都能达到20a。风力发电机组上的橡胶元件，如联轴器、减振阻尼元件、机械限位开关护套、液压系统密封圈等，由于实际运行过程中温度、油污等因素的影响，也往往达不到设计寿命。风力发电机组的故障率呈现是多个典型浴盘曲线组合的原因。根据机组故障率的这个特点，可以得出结论：在理论上，如果在机组某一部件寿命期未进行主动检修或更换，可有效地降低故障率。但如何判断诸多部件寿命期将结束存在困难。
（4）设备状态检修
设备状态检修就是在设备状态评价的基础上，根据设备的日常监测、状态监测和诊断提供的信息，来判断设备的劣化程度，有计划地进行适当的维修。状态检修需要多种辅助手段，在风力发电机组上实行状态检修的主要辅助手段有振动在线监测、油品在线监测及定期化验、内视镜检查、热成像检查等。机组状态维修应该是设备维修方式中效率最高的一种方式。采用状态维修可以及时掌握故障隐患并及时消除，从而提高机组完好率和利用率，提高机组维修工作质量和节省各种费用，提高总体效益。状态监测可以提前预知相关部件可能将损坏，从而提前准备相关备件及专用工器具，并在弱风期提前进行更换，从而减少电量损失。
三、替换措施
（1） 更换具备低电压穿越功能的GTE150-SBP变频器
①同PM1000相比，GTE150-SBP提高了IGBT的容量。在同等耐压等级下，将IGBT的最大电流值从300A提高到了450A；将直流母排电容的耐压限值从1100V提高到了1350V，容值从2000?F提高到4700?F；其正常工作电网电压下限值从621V降至552V；变频器也具备了低电压穿越控制策略，保证风机的不脱网低电压运行，完成穿越过程中对有功功率和无功功率的调节。故可通过换装贴有“主动CROWBAR、GTE协议”标签的GTE150-SBP，满足在电网电压跌落期间风机不脱网，且能够对电网进行无功补偿的要求。
②在安装变频器的过程中，我们发现变频器内部的230V继电器电流限值为6A。但是在实际并网时，网侧接触器线圈电流有可能超过这个值，过流严重时甚至会发生接口“粘连”，导致无法正常并网甚至损坏变频器，因此应在GTE变频器上额外增加一个230V继电器，用于提高变频器的并网驱动功率。继电器K352.2安装在NCC320控制柜左侧侧板上、并网接触器-K340.4上端不远处，如图1所示：
③GTE变频器增加了网侧滤波电容电压检测功能，便于更好的实现网侧同步，检测线从K340.2.1/3/5端引出，这三根线连接到了LSC网侧输入滤波电容上，并送入变频器进行测量，可以用来检测网侧滤波电容电压。
（2） 更换主动CROWBAR
①替换前的华锐SL1500型1.5MW风力发电机组及其它相似风力发电机组，一旦电网电压跌落，直流母排电压迅速升高，CROWBAR触发，转子电流通过CROWBAR电阻被泄放掉，被动CROWBAR采用的是晶闸管控制，关断不受控制，只有转子电流低于安全阈值时才能关断，如果风机不脱网，风机一直处于电动状态，转子电流不会下降到安全阈值内，所以为了关断CROWBAR，必须脱网。发生电压跌落后，电网比较脆弱，如果大批风机脱网，会对电网造成进一步冲击，而且风机的再次并网需要较长的时间，对于电网的恢复十分不利。而主动CROWBAR用IGBT模块替代晶闸管，实现了可控关断，除了有效防止电网电压跌落时直流母排过压造成的变频器及电容的损坏，还保证了在CROWBAR工作过程中，定子接触器和网侧接触器均保持在吸合状态，高效、可控的泄放转子电能。
②在更换主动CROWBAR的过程中，本文建议对NCC320柜体进行替换。因为主动CROWBAR及电阻的外观结构与被动CROWBAR有很大区别，因此需要重新钻孔，确定安装位置。为了安装CROWBAR电阻，同时将电阻连接线引入NCC320柜，需要更换NCC320柜的顶板，顶板除了用于安装CROWBAR电阻，还要用于固定电阻外罩。此外，NCC310的顶板需要固定UPS及其外罩。
③CROWBAR电路可固定在NCC320柜体左侧原CROWBAR处，CROWBAR泄放电阻可固定在NCC320柜顶部。电缆从顶盖的圆孔进入柜体，电阻外安装防护罩。新增加的CROWBAR控制电路24V保险应安装在NCC310柜内。
（3）增加UPS（交流不间断电源）
①对于未经替换的SL1500风机，一旦新替换的主动CROWBAR开始工作，风机的定子接触器和网侧接触器会立刻断开，而且在电网电压跌落期间，轮毂及机舱内会出现供电故障，导致变桨系统与主控系统无法正常工作，例如变桨刹车制动失灵，振动传感器失灵等。如果在230V供电回路中增加了230V交流UPS，就可以为系统中的网/机侧接触器线圈、轮毂24V、轮毂制动电源和振动传感器等供电，保证电网电压跌落期间风机电气系统的正常供电。
②安装UPS时，UPS可固定在NCC310顶板上，电源线及信号线可分别从顶板预留的方孔进入柜体。UPS外有防护罩，防护罩也可固定在顶板上。
③建议将一个延时继电器（K134.7）随UPS装箱，这样就可以通过调节延时继电器的箭头所指时间，即延时时间，来控制继电器两灯的亮灭（继电器的绿灯U点亮时表明继电器的供电已正常，红灯R点亮时表明其线圈已得电，即辅助触点已动作）。此外，由于考虑到原有的NCC300控制柜内的230V保险F134.6容量太小，容易烧毁，故本文建议更换容量更大的保险管，并更换保险及辅助开关。
结束语：
在风力发电机组中对定子转速控制的过程中，变频器只需要提供转子转速与额定转速的差值转速即可实现对发电机的调速作用，因此所使用的功率较小，变频器的电流和电压的承载量不需要太大，这在一定程度上降低了变频器的制作难度和制作成本。此外，采用变频器对发电机组中的输入电流进行控制，可以很好的排除干扰电流对系统的影响，使得系统的运行更加稳定；而且变频器的高效性也使得其在风力发电机组中具有明显的应用优势。这些都是变频器在风力发电机组中的应用优点。除此之外，变频器在发电机组中还有一些其他的应用优点，比如在电网系统中的过压保护上的优势等。
参考文献 ：
（1）李孟友.浅谈风力发电机的维修与保养 2016（26）.
（2）肖斯瑶.浅谈风力发电机的应用与发展 .2016（28）.
（3）刘井峰.风力发电机组的检修策略研究2015（23）.
论文作者:罗朗川
论文发表刊物:《电力设备》2017年第35期
论文发表时间:2018/8/13
标签：变频器论文; 电流论文; 转子论文; 电网论文; 接触器论文; 状态论文; 风力发电机组论文; 《电力设备》2017年第35期论文;