变速恒频空载技术在风机改造中的应用

晋能清洁能源风力发电有限责任公司 杨利军

风力发电所产生的电源属于清洁能源，是现代社会大力倡导的能源生产模式。在具体进行风力发电过程中，发电机转速会随着风速变化而发生改变，需要通过科学控制的方式。保证生产过程的稳定性和最终生产产品质量，以便为广大用户提供更加优质的电力资源。强调需要通过运用有效控制手段获得恒定频率的方式，保证风力发电生产能够顺利进行，而变速恒频技术就是一种较为有效的频率控制技术。

1 变速恒频空载技术

所谓变速恒频技术，指的是在进行风力发电过程中，发电机转速会随着风速变化而发生改变，会通过运用有效控制手段获得恒定频率的技术模式。在具体应用过程中，会对发电机，转子电流频率以及大小等各项内容进行调整，通过科学对转速进行调节的方法，确保能够在较宽风速范围内，保持近乎恒定最优叶尖速比，确保能够达到风能转化效率最大化的目标[1]。会通过运用有效控制策略，对系统有功功率以及无功功率进行灵活调控的方式，确保风电网运行质量能够得到有效提高，保证风电场并网的稳定程度。

该项技术能够通过对控制系统以及风能进行充分应用的方式，达到切实提高风电技术应用水平的目标，是现代风电生产主流应用技术。在具体进行应用时，会按照风力发电具体类型，通过将分布式风力发电和其他发电模式有机融合在一起的方法，形成较为完善的控制模式，科学进行风能发电[2]。例如，可以将太阳能发电和风力发电结合在一起，通过形成风光互补的发电系统，保证最终发电质量。

2 变速恒频空载技术在风机改造中的应用

2.1 项目基本情况介绍

本次项目为某风电场安装60台华仪风能有限公司（以下简称：华仪）HW3/S2500（121）风力发电机组项目，变频器系统配套北京科诺伟业科技股份有限公司（以下简称：科诺）KN-CVT2500-DF-2变频器。于2018年2月14日起，电场开始投产并网，实施风机陆续并网。本次项目拟对变频器故障发生率最高10台风机进行变频器改造，整体改造技术相对较为成熟，且备品备件供应可靠，会选择市场占有率较高的变频器进行改造处理，能够达到有效提升发电总量，降低备品费用成本的目标。

2.2 改造必要性分析

该电场风机已经运行一段时间，变频器内部存在故障逐年增加以及元器件老化等方面的情况，故障的高频率发生时的发电量，以及风机运行安全均受到严重影响。通过对风机变频器运行问题的研究发现，各项问题主要集中在以下几个方面：一是2019年科诺公司已逐步退出风电市场，现场存在技术支持、优化升级、备件获取困难等一系列问题；二是科诺生产的KN-CVT2500-DF-2变频器电网适应性较差。电网发生谐振时，在谐振点附近电流增大，导致滤波电容过流烧毁。风电场投运至今风机变频器滤波电容鼓包、漏液发生16台次，风机变频器滤波电容烧毁故障发生9台次，功率单元击穿发生41台次；三是根据2019—2022年风电机组运行数据统计，变频器故障占比高，变频器故障损失电量占比高。

表1 2019—2022年风电机组运行故障数据统计

图1 风机变频器

2.3 具体改造技术方案

在具体进行改造过程中，会对10台故障发生率最高的变频器进行调整，将整机更换为市场占有率较高的变频器设备。通过进行市场调查的方式，完成10台市场占有率较高的变频器采购。同时，会对原有变频器实施保护性拆除操作，将其运输到电场升压站之中，确保能够通过对拆下变频器内部元器件进行分类和打包处理的方式，移交库房管理员进行管理，方便后续二次应用和折旧处理。在完成新变频器安装之后，需要对整机主控系统以及变频器进行调试，保证变频器能够处于稳定运行状态。

2.4 项目具体实施方式

为保证采购成本和采购公平性，本次项目采用公开招标采购方法，将风机整机生产制造厂家或风机变频器生产制造厂家作为投标人，公开组织进行招标，预计10台变频器改造项目费用见表2。

表2 10台风电机组变频器改造项目费用

2.5 改造项目实施具体要求

2.5.1 解决变频器备件紧缺问题

在具体进行改造过程中，需要对更换下来的变频器零部件进行二次利用，将其作为风机变频器备件进行使用，妥善解决变频器备件紧缺和采购困难的问题[3]。运用此种方式能够将拆卸下来的10台风机变频器，作为机主变频器备件进行应用，可以达到每年节约130万元左右采购成本的目标。同时，风机故障停机时间的不断减少，也能够保证风机可利用时长可以得到切实延长，会大幅度降低风机故障损失电量，保证电量收入能够得到不断提高。

2.5.2 强化设备可靠程度

经过改造方式解决变频器故障过高，以及配件消耗较大等方面的问题，有效规避变频器设计方面缺陷[4]。通过进行合理改造的方式，严格控制故障停机时间，保证风机可利用时长，减少因为风机故障所造成的各种电量损失问题。

2.5.3 提升电网适应性

确保改造之后所使用的新变频器能够具备电网适应能力较强的特点，可以在劣质电网环境中进行使用，变频器整体故障发生概率能够被控制在合理范围之内，解决现阶段变频器使用存在的各种问题[5]。

3 改造新变频器情况说明

3.1 改造基本内容介绍

变频器主要包括功率柜、并网柜以及配电柜，将配电柜和并网柜融为一体，对柜体进行拆解处理，组成功率柜和配电柜加配网柜的模式。变频器尺寸需要和科诺变频器保持一致，确保能够直接进行更换。在进行功率电缆安装过程中，需要将电网功率线缆和转子功率线缆安装铜排出线方式作为下出线，将定子功率电缆为上出线，按照能够和原科诺变频器相兼容的原则，设置出线方式。运用PB 通讯进行风机主控以及变流器之间的通信，做好通讯调试工作。

3.2 变频器改造实施方案

3.2.1 具体改造流程

在具体进行变频器改造之前，需要先对原有变频器进行拆解，并且将拆解后的零部件进行分门别类，展开新变频器的部件和单柜拆解，在塔基内进行组装。在完成安装之后，需要进行调试，通过并网发电的方式，确定变频器使用是否合理。

3.2.2 做好改造前期准备工作

为确保后续改造工作能够顺利进行，需要做好前期各项准备工作，保证改造工作能够高质量进行。首先需要确认新变频器技术选型，确保其安装尺寸以及安装接口等各项内容能够和机组使用要求相符合。在进行变频器拆解过程中，对部分扎线段进行裁剪，属于不可恢复拆解模式。操作时可能会出现螺钉掉落的状况，需要通过增加延长线的方式，做好准备辅料的准备，确保能够更好地完成后续各项改造工作。

3.2.3 变频器拆解处理

在对原有变频器进行拆解处理过程中，需要在变频器和风机完全停止之后才能处理，在关闭UPS电源和断路器之后，需要断开箱变低压位置主断路器，摇出箱变主断路器，确保箱变和断路器之间能够形成有效断开点。

通过对万用表的应用，对变频器各部分电压情况进行测量，在所有电压数值达到零之后，便可以先进行功率模块，以及并网接触器等大重量部分的拆除，将其搬运到风机外部，并做好防护管理。在进行信号以及功率等电线电缆拆除过程中，需要通过对标签的应用，对转子功率线缆以及定制功率线缆等进行标记，防止出现线缆混淆问题，做好主控通讯信号线以及变频器功率线缆等内容的拆除。

3.2.4 新变频器安装

对新变频器进行拆解，并逐一完成并网接触器以及主断路器等各项内容的安装，并且在安装完成之后，做好柜体固定，通过进行检查的方式确定所有安装是否符合要求，及时对存在的质量问题进行调整，保证整体安装效果。完成设备安装之后，再进行电线电缆安装。根据之前设置线标，展开功率线的安装，保证新变频器电网功率线缆，以及定子线缆等位置能够与原变频器处于相近状态。在对电线电缆安装准确性进行全面检查之后，运用螺钉进行紧固处理，并通过对防火泥的使用，对线孔展开封堵。

3.2.5 并网调试

在完成所有安装之后，再进行并网调试。首先，应进行上电前检查，对变频器内部以及顶部等位置进行检查，确定是否存在遗落工具等方面问题，按照设计要求和力矩要求，做好转子线以及定子线等连接和紧固处理；其次，按照一定顺序进行上电，展开开环发波以及其他一系列测试，通过运用单步调试的方法，操作机组启动机器，按照一定步骤进行后台数据的添加，对各项参数状态进行实时监控；最后，将变频器转换为主控控制模式，确保机组能够处于正常运行状态。

3.3 改造结果分析

在完成改造之后，技术人员对改造之后的变频器展开了运行测试，按照测试结果发现，使用新型变频器设备，能够妥善解决原有风机故障发生频率过高的问题，整体风机运行有效性以及稳定性得到切实提升。此外，在使用新型变频器之后，原有变频器设计存在的缺陷问题得到妥善解决，故障停机时间得到严格管控，风机利用时长得到有效延长，各种电量损失问题得到了妥善解决，实现了节能降耗的目标。

在使用新变频器之后，达到了和电网进行有效配合的目标，能够在电网中进行合理使用，即便在劣质电网环境中，也能够将故障发生概率控制在允许范围之内，满足了改造之前所提出的各项要求，表明本次改造工程符合预期，达到了预期改造结果。强调管理人员需要总结本次改造成功的经验，针对新变频器所具有的性能以及风力发电具体要求，制定出较为有效的优化方案以及后续管理方案，确保变频器使用能够处于理想状态，能够更好地为风力发电工作开展提供助力，并且能够通过进行经验总结的方式，为后期类似工程开展提供可靠依据，保证该电厂整体生产效能可以得到切实提升。

为解决风机运行方面问题，确保风力发电产量能够得到有效提高，需要加大对变频器问题的研究力度，按照变速恒频技术的应用要求，对变频器进行改造和调整，确保能够通过对新变频器的应用，完成对原有发电系统的有效调整，保证系统存在的问题能够得到妥善解决，进而实现理想化风机运行模式，高质量完成产电等一系列任务，为电场获得更加可观的经济效益。