風電專用接觸器電壽命監(jiān)控和預警裝置的研究

周云紅, 李志宏

(1.南京工程學院 電力工程學院, 南京 210000;2.上海良信電器股份有限公司, 上海 201206)

0 引 言

目前,在可再生能源的利用中,風力發(fā)電技術最適用于大規(guī)模發(fā)電,在實際應用中最廣泛[1-2]。風力發(fā)電機是將風能轉(zhuǎn)換成機械能,繼而轉(zhuǎn)化為電能的裝置。風輪葉片在風的作用下使風輪旋轉(zhuǎn),將風能轉(zhuǎn)換成機械能,再通過傳動系統(tǒng)和電磁轉(zhuǎn)化將機械能轉(zhuǎn)成為電能。

1 風力發(fā)電系統(tǒng)

風力發(fā)電系統(tǒng)由電氣傳動系統(tǒng)、電網(wǎng)聯(lián)接系統(tǒng)、風機控制和保護系統(tǒng)、偏航與變槳系統(tǒng)、雷電保護系統(tǒng)、液壓和冷卻系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等組成。

風力發(fā)電系統(tǒng)基本可分為兩種類型:恒速恒頻(CSCF)風力發(fā)電系統(tǒng),變速恒頻(VSCF)風力發(fā)電系統(tǒng)。當發(fā)電機將風能轉(zhuǎn)化為電能然后給電網(wǎng)供電時,只有發(fā)電機輸出的電能滿足與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,才能實現(xiàn)并網(wǎng)。即使風速發(fā)生變化,發(fā)電機也要保持轉(zhuǎn)速不變化,從而使其輸出電能的頻率仍與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,這種系統(tǒng)稱為恒速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。當風速發(fā)生變化時,發(fā)電機轉(zhuǎn)速隨風速的變化而發(fā)生改變,再運用控制方法使其輸出電能的頻率仍與電網(wǎng)電能的頻率保持一致,這種系統(tǒng)稱為變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)。

變速恒頻風力發(fā)電系統(tǒng)有多種,如交流-直流-交流系統(tǒng)、磁場調(diào)制發(fā)電機系統(tǒng)、交流勵磁雙饋發(fā)電機系統(tǒng)、無刷雙饋發(fā)電機系統(tǒng)等,這些變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)有的是發(fā)電機與電力電子裝置相結合實現(xiàn)變速恒頻的,有的是通過改造發(fā)電機本身機構而實現(xiàn)變速恒頻的。

2 雙饋發(fā)電系統(tǒng)

雙饋發(fā)電系統(tǒng)是一種變速恒頻系列,采用的發(fā)電機為轉(zhuǎn)子交流勵磁雙饋發(fā)電機,其結構與繞線式異步電機類似。當風速變化引起轉(zhuǎn)速變化時,控制轉(zhuǎn)子電流的頻率,可使定子頻率恒定,即應滿足:

f1=pfm±f2

式中:f1——定子電流頻率,與電網(wǎng)頻率相同;

fm——轉(zhuǎn)子機械頻率,fm=n/60;

p——電機的極對數(shù);

f2——轉(zhuǎn)子的電流頻率。

雙饋型風力發(fā)電機系統(tǒng)示意如圖1所示,定子繞組接工頻電網(wǎng),轉(zhuǎn)子繞組由具有可調(diào)節(jié)頻率、相位、幅值和相序的三相電源激勵,一般采用交-直-交變流器。雙饋發(fā)電機可以在不同的風速下運行,其轉(zhuǎn)速可以隨風速的變化做相應的調(diào)整,使風機運行始終處于最佳狀態(tài),提高風能的利用率。同時通過控制饋入轉(zhuǎn)子繞組的電流參數(shù),不僅可以保持定子輸出的電壓和頻率不變,還可以調(diào)節(jié)電網(wǎng)的功率因數(shù),提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。雙饋發(fā)電機能變速恒頻運行,實現(xiàn)機組和電網(wǎng)的柔性連接,從而大大緩解機組軸系的機械應力,并降低系統(tǒng)成本。

圖1 雙饋型風力發(fā)電機系統(tǒng)示意

雙饋型風力發(fā)電機通過直接連接電網(wǎng)的定子饋入2/3額定功率,通過轉(zhuǎn)子饋入1/3額定功率。變流器用于控制發(fā)電機的速度和功率因數(shù),允許機組工作在更寬的發(fā)電速度范圍,同時產(chǎn)生無功功率,以支撐電網(wǎng)的能力。電氣傳動系統(tǒng)分為定子主回路、主勵磁回路和起動回路,元器件通常都在變流器柜中。

定子回路中一般選用萬能式斷路器或塑殼斷路器用于保護發(fā)電機和電纜,提供快速、可靠的短路和過載保護,還為發(fā)電機維修提供隔離。風機運行過程中經(jīng)常處于非額定狀態(tài),導致主回路頻繁切換,每年高達2 000～5 000次,所以采用風電專用接觸器來分合切換發(fā)電機主回路和斷路器配合,能夠延長斷路器的使用年限。

轉(zhuǎn)子電路的勵磁電路由變流器控制。變流器的電網(wǎng)側(cè)安裝接觸器,用于電路的分合切換,同時也可以加裝斷路器或熔斷器,起到線路的保護及與接觸器短路保護配合。

雙饋式風力發(fā)電機組采用的斷路器控制器具備觸頭磨損報警功能,能夠及時提醒用戶斷路器觸頭的狀態(tài),但接觸器卻不具備該功能。接觸器作為分合切換定子和轉(zhuǎn)子回路的關鍵元器件,如果出現(xiàn)主觸頭磨損嚴重,不能及時得到維護和更換,影響機組的可靠性和持續(xù)性,所以對風電專用大功率接觸器壽命監(jiān)控及預警系統(tǒng)進行深入的研究。

3 風電接觸器電壽命和預警系統(tǒng)理論研究

3.1 接觸器壽命指標分析

使用壽命是反映接觸器和斷路器等執(zhí)行元件運行可靠性的一項重要性能指標,而影響使用壽命的決定性因素是觸頭的電磨損[3-6]。在斷路器使用壽命監(jiān)測方面,一種比較簡便的方法是根據(jù)斷路器的電壽命曲線對分斷電流加權累計,但由于斷路器單次分斷電流相差很大,觸頭燒損機制不同,損傷量差別很大,因此單純考慮累積的分斷電流不能取得理想的監(jiān)測效果。文獻[3]提出相對電磨損的概念,即在總磨損量保持一定的基礎上,通過對斷路器每一次分斷時的相對電磨損量進行累積,來判斷剩余電壽命,然而影響觸頭的電磨損量不僅是分斷電流,還包括燃弧時間。針對這一問題,文獻[4]考慮燃弧時間,改進高壓斷路器的電壽命監(jiān)測方法。

在接觸器使用壽命監(jiān)測方面,文獻[7]對交流接觸器的分斷電流和燃弧時間進行監(jiān)測,根據(jù)觸頭的電磨損機制,研究任意分斷電流下的電磨損計算方法,可以較準確地預測交流接觸器的剩余電壽命。國內(nèi)部分企業(yè)及科研機構也對接觸器的壽命監(jiān)控進行研究。例如,西安開天鐵路牽引電器有限公司2010年公布一種帶計數(shù)器的電磁接觸器,有助于減少機車不必要的維修[8];北京首鋼自動化信息技術有限公司2015年公布一種接觸器壽命監(jiān)控裝置,可以實時記錄接觸器的動作次數(shù),并在上位機中顯示[9]。

文獻[10]提到通過CPU測量接觸器閉合過程中線圈回路和觸頭回路的電流幾個變化點時刻,計算出觸頭超程是否接近磨損極限來判斷接觸器壽命是否終了,因觸頭被磨損時超程減小。

目前公布的接觸器使用壽命監(jiān)測技術多是在接觸器面板上顯示其動作次數(shù),不能滿足大規(guī)模分布式風電場的實際使用要求。擬實時采集各接觸器的動作次數(shù)和動作電流信息,并傳遞至監(jiān)控室,然后由上位機計算剩余壽命,并在達到閾值時進行報警,提示用戶做好更換準備,便于用戶在監(jiān)控室全面監(jiān)控各位置的接觸器剩余壽命情況,可以節(jié)約檢修和維護成本,縮短維修周期,提高供電可靠性。

3.2 影響設備準確度的關鍵點

(1) 準確揭示分斷電流、燃弧時間、滅弧介質(zhì)、冷卻條件等因數(shù)對接觸器壽命的影響,是提高接觸器運行使用壽命估算模型精度的關鍵。

(2) 實時監(jiān)控接觸器動作,并判斷接觸器動作是否正常,剔除外部原因引起的不正常動作計數(shù),是提高接觸器動作次數(shù)信息采集準確度的關鍵。

(3) 如何實現(xiàn)接觸器動作次數(shù)的動作電流信息的遠距離傳送,并在剩余壽命報警時準確定位需要更換的接觸器。

3.3 方案介紹

方案示意圖如圖2所示。完整的接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)由上位監(jiān)控系統(tǒng)HMI、 PLC系統(tǒng)、PLC 數(shù)字量輸出模塊、PLC 數(shù)字量輸入模塊、接觸器線圈、接觸器觸點、直流電源、以太網(wǎng)線、背板總線、信號線等組成,實現(xiàn)對接觸器進行電壽命次數(shù)記錄;通過通信總線將已使用的次數(shù)傳遞至上位機;當接觸器達到使用壽命預警值時,由上位機向監(jiān)控中心發(fā)送預警警報。

圖2 方案示意圖

接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)工作流程如圖3所示,其基本步驟如下:

(1) 讀取PLC 系統(tǒng)時間。

(2) 監(jiān)控接觸器動作。

(3) 判斷接觸器動作是否正常,如果不正常,則記錄不正常次數(shù),并判斷是否為外部條件(如線虛接或接觸器線圈電源斷開)所引起,如為外部原因,則恢復外部,并把不正常的次數(shù)清0。如果是接觸器本身的原因,則判斷不正常次數(shù)是否達到限制值,如果達到限制值,則報警,并更換接觸器。

(4) 如果接觸器動作正常,則循環(huán)計數(shù)。

(5) 比較是否達到該設備壽命值。如果達到壽命值,則進行更換,復位對應設備使用次數(shù),并記錄更換時間。

圖3 接觸器壽命監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

(6) 沒有達到壽命值,則繼續(xù)執(zhí)行計數(shù)功能。

3.4 具有壽命監(jiān)控及預警功能的智能接觸器

新型智能接觸器通過通信系統(tǒng)將每臺接觸器使用壽命進行信息傳遞,在監(jiān)控室能夠全面監(jiān)控各個位置的接觸器壽命情況(包括電流和電壓參數(shù));除監(jiān)控使用壽命外,新型智能接觸器還具有剩余壽命預報警功能,可以結合接觸器廠家提供的接觸器使用壽命與操作次數(shù)進行對比設置,即將到使用壽命時發(fā)出預報警,提醒用戶及早準備備品進行更換,避免系統(tǒng)的故障運行。

4 結 語

交流接觸器應用于風電場時具有數(shù)量多、分布廣等特點,研究其壽命監(jiān)控及壽命預警系統(tǒng)具有較高的工程實用價值,并且后續(xù)還可將成果推廣應用于系統(tǒng)中其他元器件的壽命監(jiān)控。

[1]陳德桂.智能電網(wǎng)與低壓電器新的發(fā)展[J].電氣制造,2012(4):23-27.

[2]何瑞華.我國智能低壓配電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].現(xiàn)代建筑電氣,2015,6(11):1-6.

[3]郭賢珊,王章啟.高壓斷路器觸頭電壽命預測的研究[J].高電壓技術,1999,25(3):43-44.

[4]關永剛,黃瑜瓏,錢家驪.真空斷路器電磨損監(jiān)測技術的改進[J].高壓電器,2001,37(4):1-3.

[5]PONSA,SABOTA,BABUSCIG.Electricalenduranceandreliabilityofcircuit-breakers:commonexperienceandpracticeoftwoutilities[J].IEEETransonPWRD,1993,8(1):168.

[6]王章啟,賢珊,吳暉,等.高壓斷路器開斷參數(shù)的監(jiān)測與記錄[J].電網(wǎng)技術,1996,20(5):22-25.

[7]袁金麗,李奎,王堯,等.交流接觸器電壽命監(jiān)測技術的研究[J].低壓電器,2011(17):7-10.

[8]西安開天鐵路牽引電器有限公司.一種帶計數(shù)器的電磁接觸器:中國,ZL200920034162.1[P].2010-05-05.

[9]北京首鋼自動化信息技術有限公司.接觸器壽命監(jiān)控裝置:中國,ZL201420581448.2[P].2015-01-21.

[10]卜浩民.交流接觸器的智能化綜述[J].電器與能效管理技術,2017(1):32-38.