風電機組并網開關回路問題的處理探索

文 | 姜山

風力發電是21世紀日益重要的綠色電力。隨著風電技術水平的快速發展，機組的可靠性和不間斷運行時間也在逐漸提高和增加，風力發電技術已經成為目前相對成熟、極具規模化開發和商業化發展的新能源技術。

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、損耗現象開始顯現：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；變槳系統的老化，致使變槳動作不能準確執行，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開關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。

風電場概況

本文所涉及的風電場地處河北省壩上地區尚義縣境內，一期項目于2005年并網發電，至2008年第四期項目建設期結束時，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，并入國家電網公司張北220千伏變電站。

風電機組并網開關存在的主要問題

一、并網開關動作頻繁

風電場內一、二、三期風電機組為國內投運時間較早、型號偏老的風電機組，該系列的89臺風電機組采用AEG ME1607并網開關與網側同步，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，并網開關的平均動作次數已超過8000次。根據風電機組維護保養手冊要求，并網開關的設計壽命為10000次，屆時需要全面更換。根據實際運行情況，并網開關機械結構在動作5000次后就需要進行維修、保養，如果機械結構損壞嚴重，視為無檢修價值。2012與2013年89臺風電機組中更換并網開關的數量分別為19臺和23臺。2014年風電機組故障更換并網開關29臺次，費用約200萬元。并網開關故障次數呈逐年上升趨勢，造成較大的采購、維修成本和巨大的發電量損失。

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

二、儲能電機連接環失效

每一次并網開關的閉合，都會觸發儲能電機為并網開關儲能，隨著動作次數的增加，儲能電機與儲能機構的連接銅環磨損嚴重以致失效，無法使儲能機構恢復到工作位置，此時儲能電機會一直工作直至發熱燒毀。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，還會導致整個并網開關線路及繼電器的損壞，屆時只能將并網開關整體更換。并網開關購買費用大概在10萬元左右，而替換下的并網開關近乎報廢，維修價值不大（文中風電場每年因此種情況而更換并網開關的機組有十臺左右）。另外儲能電機過熱所導致的潛在危險也很大，過熱將會在開關柜內產生明火，而并網開關的外殼、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據發現，機組在切入風速的時間段內并網開關頻繁動作，會縮短開關壽命。根據電氣原理分析，可通過加裝接觸器減少并網開關的分合；將ME1607老款型號的并網開關逐步更換為ME1609新型號的并網開關；對并網開關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開關運行存在的問題。

圖1 K1接觸器回路圖

一、加裝K1接觸器減少并網開關分合次數

近年來，針對該風電場89臺風電機組并網開關的頻繁損壞以及并網開關無法脫網等情況，首先采取的措施是：在回路中增加一個接觸器來代替開關進行并網、脫網等電氣動作，在減少并網開關分合次數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，減少了由于并網開關故障停機所引發的變頻器等其他元件的損壞，大大增加了風電機組的穩定性。

（一）改造方案

通過對比國內外其他品牌風電機組的設計發現，大多數的風力發電機組是通過接觸器實現與網側同步、依靠并網開關實現保護功能的。這也符合供、配電設計的規范和要求。

2013年該風電場對5臺風電機組（2#、5#、9#、29#、33#）進行技術改造，使機組與電網的同步由一個獨立的接觸器來實現（圖1），這有助于預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開關的工作壽命。

圖2 機組與電網功率交換示意圖

并網開關改造主要工作為加裝接觸器及相應程序重新寫入，K1接觸器改造主要由柜體本身和外接電纜兩部分構成。

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

發電機通過接觸器與網側同步，依靠斷路器實現過流、過壓等保護功能的改造方法，符合供、配電的設計規范和要求（圖2）。

根據風電機組的具體結構，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接觸器來實現風電機組與網側同步的方案具有以下優點：

1.減少并網開關維護和檢修的相關費用。利用接觸器的通斷實現風電機組并網，接觸器的開合次數6倍于并網開關的開合次數，因此無需再更換并網開關，節省了并網開關每三年的維護、檢修費用；

2.減少相關設備如變頻器、低壓柜等的維修成本；

3.減少故障次數和風電機組停機時間；

4.增強并網開關的可靠性。

（二）安裝效果

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

通過并網開關的動作次數可以看出，加裝K1接觸器后，并網開關動作次數幾乎可以忽略不計，可保證機組運行20年不更換并網開關。

二、將并網開關由ME1607升級為ME1609

對比國內外其他品牌風電機組的設計發現，有相當數量的風力發電機組是通過與網側同步的框架式斷路器實現保護功能的。目前 ME1607并網開關（即框架式斷路器）國內組裝廠已停產，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。根據這一情況，通過開展并網開關產品的替代試驗，實現ME1609型并網開關對ME1607型并網開關的替代。同時ME1609型并網開關設計壽命高達20000次，遠高于 ME1607型并網開關10000次的設計壽命。

（一）替代方案

利用AEG公司升級產品ME1609型并網開關垂直替代AEG ME1607型并網開關，只增加并網開關底座轉接板和二次插頭引線即可。ME1609型并網開關保護性能要優于AEG ME1607型并網開關，且ME1609型并網開關跳、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，節省了整體更換并網開關的高額費用。

2014年10月該風電場完成了2臺風電機組（37#、38#）并網開關的升級改造工作。并網開關改造主要工作為ME1609型并網開關底座重新制作、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開關組裝廠內完成后運至現場。

圖3 部件安裝位置示意圖

表1 運行數據對照表

1.ME1607型并網開關升級為ME1609型并網開關后所對應圖紙（圖5）。

2.改造完成后現場圖片（圖6）。

（二）替代效果

風電場37#、38#機組進行并網開關的升級替代后，機組運行穩定，未發生與并網開關相關的故障，目前該風電場正在逐步進行替代改造工作。

三、并網開關加裝儲能電機保護回路

圖4 K1加裝完工實際效果圖

圖5 并網開關替代對應圖紙

改造前，儲能電機直接接到并網開關端子排上，供電方式由微開關來控制通斷（圖7），若連接環磨損，儲能機構不能儲能到位，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的延時斷開繼電器和溫差檢測裝置。連接環損壞后，若電源持續接通，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運行，致使電機發熱燒毀，此時，溫差檢測裝置檢測到電機與外部環境溫差大于設定值后，立即斷開供電回路，避免儲能電機持續運行發熱燒毀。

（二）并網開關加裝保護回路取得的成果

風電場于2017年6月開始針對20臺風電機組的并網開關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運行發熱燒毀，節約購買儲能電機費用約20萬元。預計到今年年底，將全部完成并網開關儲能電機保護回路加裝工作。

圖6 升級改造后現場圖片

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

結語

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