并網(wǎng)接觸器在風(fēng)機變流器中的應(yīng)用研究

郭寬

（中節(jié)能港建風(fēng)力發(fā)電（張北）有限公司，河北張家口，075000）

1 風(fēng)機變流器并網(wǎng)原理

變流器檢測到發(fā)電機轉(zhuǎn)速已經(jīng)在并網(wǎng)同步轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)后，閉合預(yù)充電單元，網(wǎng)側(cè)變流器開始給直流母線電容充電（如果沒有預(yù)充電環(huán)節(jié)，而直接吸合網(wǎng)側(cè)接觸器，較大的電勢差會使轉(zhuǎn)子接觸器造成較大的沖擊，形成瞬間過電流）。充電完成后轉(zhuǎn)子側(cè)變流器根據(jù)發(fā)電機轉(zhuǎn)速進行發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁，勵磁之后會在發(fā)電機定子側(cè)感應(yīng)出電壓，在檢測到定子電壓與電網(wǎng)電壓同頻率、同相位、同幅值之后，定子并網(wǎng)接觸器吸合，并網(wǎng)完成。

2 并網(wǎng)接觸器的作用

某風(fēng)場變流器在未改造前采用主斷路器作為并網(wǎng)開關(guān)（無并網(wǎng)接觸器），這種老式結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)主斷路器“靜態(tài)合閘”或者“分閘不及時”的現(xiàn)象。該問題出現(xiàn)時，雙饋電機轉(zhuǎn)子側(cè)開路，隨著發(fā)電機轉(zhuǎn)速偏離額定轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子側(cè)電壓逐漸升高，最終達到2000V以上。轉(zhuǎn)子側(cè)模塊導(dǎo)通形成回路，出現(xiàn)大電流。Crowbar啟動保護，但是由于電流過大，可能會引起Crowbar電阻燒毀、轉(zhuǎn)子側(cè)模塊爆炸、直流保險燒毀的風(fēng)險。由于直流保險的短路保護作用，網(wǎng)側(cè)模塊得到保護。

主斷路器“靜態(tài)合閘”或者“分閘不及時”的主要原因是斷路器達到運行壽命后未能及時進行更換。風(fēng)場風(fēng)速變化頻率較高，風(fēng)速不穩(wěn)定，致使風(fēng)場風(fēng)機頻繁起停機，使得主斷路器頻繁動作，即使在維護保養(yǎng)很到位的情況下，動作次數(shù)在5年內(nèi)便會達到壽命值，必須進行強制更換。另外在壽命期內(nèi)，假如維護保養(yǎng)不到位，機械動作頻繁，也容易出現(xiàn)上述故障。

加裝并網(wǎng)接觸器后，并網(wǎng)接觸器位于主斷路器下方。其中，主斷路器起到分斷故障電流的作用，并網(wǎng)接觸器起到正常并網(wǎng)、脫網(wǎng)的作用。如圖2所示。

其中KM10為后期加裝的并網(wǎng)接觸器，位于主斷路器與發(fā)電機定子側(cè)之間。

圖1 加裝并網(wǎng)接觸器前變流器原理圖

3 并網(wǎng)接觸器的優(yōu)點

由于無并網(wǎng)接觸器的變流器會出現(xiàn)主斷路器“靜態(tài)合閘”或者“分閘不及時”的現(xiàn)象，可能導(dǎo)致風(fēng)機不同程度的故障，且風(fēng)場風(fēng)機頻繁起停機，使得主斷路器頻繁動作，因此加裝并網(wǎng)接觸器取代主斷路器的功能，一方面使主斷路器的動作次數(shù)減少，另一方面可以減少主斷路器的維護次數(shù)，以保證主斷路器能夠使用更長的時間，為風(fēng)機長期穩(wěn)定的運行保駕護航，避免發(fā)生其他的衍生故障。

圖2 加裝并網(wǎng)接觸器后變流器原理圖

采用并網(wǎng)接觸器作為并網(wǎng)開關(guān)的優(yōu)點如下：

（1）解決了主斷路器的壽命問題：據(jù)統(tǒng)計，帶并網(wǎng)接觸器的變流器的主斷路器每年的動作次數(shù)只有300次左右，從理論上講，風(fēng)機運行20年內(nèi)不會因主斷路器動作次數(shù)到壽命而強制更換。

（2）減少了主斷路器保養(yǎng)成本，降低了主斷路器的故障率：加裝并網(wǎng)接觸器后，主斷路器動作次數(shù)大幅降低，也會節(jié)省一定的主斷路器維護費用，以保證風(fēng)機能夠穩(wěn)定運行，有效減少了主斷路器損壞引起的衍生故障。

（3）降低了重大故障發(fā)生的概率：主斷路器的動作次數(shù)減少了，保護功能就得到了加強，故障時分斷能力得到了保障，避免發(fā)生更大的故障。

（4）采用并網(wǎng)接觸器作為并網(wǎng)開關(guān)在短路等極端情況下使保護功能得以加強。采用主斷路器作為并網(wǎng)開關(guān)的變流器系統(tǒng)，電網(wǎng)直接接到主斷路器，主斷路器再接到發(fā)電機定子側(cè)。采用并網(wǎng)接觸器作為并網(wǎng)開關(guān)的變流器系統(tǒng)，電網(wǎng)首先接到主斷路器，主斷路器下側(cè)接到并網(wǎng)接觸器，再用并網(wǎng)接觸器接到發(fā)電機定子側(cè)，如果突然發(fā)生主斷路器動作失效或電機側(cè)短路等故障時，變流器側(cè)可以有兩級保護動作，使發(fā)電機與電網(wǎng)斷開連接，從而控制故障范圍，防止其他元器件的損壞。

4 風(fēng)機現(xiàn)場存在的缺陷及解決途徑

4.1 某風(fēng)場存在的缺陷實例

某風(fēng)場機組于2010年初投產(chǎn)運行，主要分為750kW定槳距和1500kW變槳距兩種不同型號的機組，且均為雙饋式發(fā)電機。其中1500kW變槳距機組配置有變流器，由于該風(fēng)場投產(chǎn)時間較早，而在當(dāng)時整機廠家購買變流器時，變流器的并網(wǎng)柜內(nèi)并沒有配置并網(wǎng)接觸器，定子與電網(wǎng)的分合全部由主斷路器動作，因此一直把主斷路器作為并網(wǎng)開關(guān)使用，這必然會引起較高的動作頻率和機械磨損，造成主斷路器的工作強度不斷增大，嚴重影響其使用壽命。

4.2 尋找解決途徑

在風(fēng)機技術(shù)日新月異的發(fā)展過程中，通過已投產(chǎn)變流器反饋出來的故障信息可以看到，由于現(xiàn)場風(fēng)況變化較快，主斷路器不斷動作，加大了主斷路器損壞的概率，其動作次數(shù)超出了在一般應(yīng)用場合的數(shù)值，減少了其使用壽命，加大了故障風(fēng)險。主斷路器市場單價在4萬元左右，長期損壞主斷路器會加大我們的運維成本。但如果在主斷路器下側(cè)加裝并網(wǎng)接觸器，將主斷路器動作并網(wǎng)發(fā)電的方式改為由并網(wǎng)接觸器的吸合來并網(wǎng)發(fā)電，是不是可以減少主斷路器的動作次數(shù)呢？如果找到合適的并網(wǎng)接觸器加入到并網(wǎng)柜內(nèi)，并對相關(guān)電氣接線作出相應(yīng)的調(diào)整，將控制軟件程序進行系統(tǒng)升級，則可以大大增大主斷路器的使用壽命，減少公司的運維成本。

5 具體技改方案

在風(fēng)機變流器內(nèi)加裝并網(wǎng)接觸器，我們需要對并網(wǎng)柜的硬件和軟件兩方面同時進行改造。

5.1 硬件方面

在主斷路器和發(fā)電機定子側(cè)之間增加并網(wǎng)接觸器，并對柜內(nèi)一些相關(guān)部件布局進行適當(dāng)調(diào)整。

修改控制邏輯，增加繼電器，改變部分接線；使正常情況下用并網(wǎng)接觸器來分斷負載電流，主斷路器不動作；主斷路器只有在故障情況下或超出并網(wǎng)接觸器工作電流的時候才動作，此時主斷路器優(yōu)于并網(wǎng)接觸器動作，及時切出故障，以保護接觸器和變流器。

5.2 軟件方面

分別對控制柜內(nèi)網(wǎng)側(cè)模塊控制板和轉(zhuǎn)子側(cè)模塊控制板進行軟件程序升級，使各控制板與并網(wǎng)接觸器完美配合。

6 并網(wǎng)接觸器在變流器改造中的應(yīng)用效果

截止目前，該風(fēng)場的53臺1500kW風(fēng)機變流器已全部完成并網(wǎng)接觸器的加裝工作。其中39臺ABB變流器早于2011年12月全部加裝完成，14臺艾默生變流器也已于2017年9月全部加裝完成。

原始設(shè)計主斷路器動作的電氣壽命約為8000次左右，按照主斷路器的市場單價為4萬元/臺計算，其動作一次的費用大概為5元/次。據(jù)現(xiàn)場實際運行情況統(tǒng)計，在加裝并網(wǎng)接觸器前，單臺主斷路器的每年動作次數(shù)大概為2500次/年，主斷路器壽命預(yù)計為3—5年；在加裝完成之后，單臺主斷路器的每年動作次數(shù)可以減少到200次/年左右，大約可以工作20年以上。

從經(jīng)濟性上來看，每臺主斷路器一年可以減少2300次/年的動作次數(shù)，折合人民幣11500元，也就是說加裝并網(wǎng)接觸器后每臺風(fēng)機每年可以節(jié)省11500元的備件維修費用。按照風(fēng)機壽命20年來計算，單臺風(fēng)機在其壽命期內(nèi)一共可以節(jié)省23萬元的主斷路器費用。以該風(fēng)場為例，53臺風(fēng)機在20年的壽命期內(nèi)共計可以節(jié)省1219萬元！

在加裝前后的故障率方面，還是以該風(fēng)場為例，在2011年12月到2017年9月期間，39臺完成改造的ABB變流器累計更換主斷路器7個，主斷路器故障率為17.95%；而14臺未改造的艾默生變流器累計更換主斷路器8個，故障率為57.14%。通過長時間的現(xiàn)場運行對比，可以明顯看出加裝并網(wǎng)接觸器后主斷路器的故障率大幅度降低。

表1 加裝并網(wǎng)接觸器前后各項數(shù)據(jù)對比

7 結(jié)論

從該風(fēng)場改造后的應(yīng)用效果來看，無論是在故障率、經(jīng)濟性或是安全性上，并網(wǎng)接觸器在變流器內(nèi)都發(fā)揮著非常重要的作用，是不可或缺的配件！

在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)不斷發(fā)展的今天，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也在不斷創(chuàng)新，整機廠家會根據(jù)當(dāng)今的行業(yè)需求，不斷更新產(chǎn)品硬件和軟件系統(tǒng)，變流器中加裝并網(wǎng)接觸器便是技術(shù)更新的一個例子。變流器內(nèi)部采用接觸器作為并網(wǎng)開關(guān)，已經(jīng)成為變流器整機廠家出廠時的標(biāo)配，為風(fēng)力發(fā)電機持續(xù)安全、穩(wěn)定運行發(fā)揮著重要作用。