風(fēng)電機(jī)組技改及性能驗(yàn)收評(píng)估方法研究

魏久北

（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

1 研究背景

我國風(fēng)力資源豐富，隨著風(fēng)電裝機(jī)裝規(guī)模的擴(kuò)大，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)也日益成熟可靠。早期投運(yùn)的老舊風(fēng)場由于受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件，加之風(fēng)力資源環(huán)境的變換，導(dǎo)致部分風(fēng)電場的利用小時(shí)數(shù)大幅降低，風(fēng)場發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差，達(dá)不到當(dāng)初方案設(shè)計(jì)要求。另外，老舊風(fēng)場除了風(fēng)資源環(huán)境改變的因素外，主要原因還有機(jī)組機(jī)型老化、設(shè)備故障多以及維護(hù)不及時(shí)造成機(jī)組利用小時(shí)數(shù)降低、風(fēng)機(jī)機(jī)位布置與測風(fēng)數(shù)據(jù)偏差較大和造成風(fēng)電機(jī)組與風(fēng)資源不匹配導(dǎo)致機(jī)組潛能不能充分發(fā)揮等。

早期建設(shè)的風(fēng)電場擁有最好的區(qū)域風(fēng)力資源優(yōu)勢，所以對(duì)此類風(fēng)場的風(fēng)機(jī)進(jìn)行技術(shù)改造提高風(fēng)場發(fā)電利用小時(shí)數(shù)顯得尤為重要。現(xiàn)階段，由于標(biāo)準(zhǔn)體系不健全，建設(shè)方與制造商對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組技改后最終驗(yàn)收項(xiàng)目的認(rèn)知存在較大偏差，在機(jī)組技改后不能客觀準(zhǔn)確地評(píng)估設(shè)備改造水平和狀態(tài)，造成制造商和開發(fā)商互相推諉，本方案從機(jī)組的技術(shù)改造和性能評(píng)估兩個(gè)方面對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的最終技改效果進(jìn)行分析與總結(jié)，最終提出具體的驗(yàn)收性能評(píng)價(jià)方法[1]。

2 風(fēng)電機(jī)組技改評(píng)估檢查項(xiàng)目

風(fēng)電機(jī)組技改后需要全面驗(yàn)證各項(xiàng)安全保護(hù)和機(jī)組啟停等測試內(nèi)容，各系統(tǒng)測試項(xiàng)目主要包括安全功能、停啟機(jī)功能、變槳系統(tǒng)、偏航系統(tǒng)以及并網(wǎng)系統(tǒng)等[2]。由于缺少完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和檢測認(rèn)證體系，使得整機(jī)廠家在最終驗(yàn)收的測試項(xiàng)目上存在較多分歧。從機(jī)組安全與各系統(tǒng)功能驗(yàn)證的角度考慮，建議按如下測試項(xiàng)目進(jìn)行驗(yàn)證機(jī)組各系統(tǒng)的功能。

安全鏈測試包括急停按鈕功能試驗(yàn)、超速保護(hù)試驗(yàn)以及機(jī)艙振動(dòng)保護(hù)功能試驗(yàn)等。機(jī)組停機(jī)方法試驗(yàn)中人為設(shè)定故障，測試機(jī)組的正常停機(jī)、快速停機(jī)以及緊急停機(jī)功能。啟動(dòng)功能測試中風(fēng)機(jī)在接收到啟動(dòng)指令后機(jī)組應(yīng)能順利通過自檢完成并網(wǎng)，且無異常。抽查變槳系統(tǒng)手動(dòng)變槳和緊急順槳等安全功能正常，檢查變槳電機(jī)、變槳齒輪箱以及變槳軸承潤滑正常不漏油，應(yīng)無振動(dòng)和噪聲且運(yùn)行正常。變槳系統(tǒng)回槳正常時(shí)，限位開關(guān)位置正確且動(dòng)作也正常，變槳齒輪箱油位正常，電機(jī)制動(dòng)裝置動(dòng)作正常。進(jìn)行偏航試驗(yàn)，順時(shí)針和逆時(shí)針各偏航3次，偏航過程中動(dòng)作平穩(wěn)，無異常，檢查偏航解纜試驗(yàn)時(shí)，偏航系統(tǒng)應(yīng)能正常解攬，檢查扭纜保護(hù)試驗(yàn)時(shí)，扭纜保護(hù)觸發(fā)后機(jī)組應(yīng)能緊急停機(jī)。限轉(zhuǎn)速/功率試驗(yàn)是設(shè)定轉(zhuǎn)速和功率為某一定值，然后觀察風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率。冷卻系統(tǒng)試驗(yàn)是通過修改發(fā)電機(jī)、齒輪箱及控制柜風(fēng)扇參數(shù)觀察風(fēng)扇運(yùn)行狀態(tài)，而接地系統(tǒng)測試是測試各機(jī)柜、主控PLC保護(hù)接地以及邏輯接地情況。

3 風(fēng)電機(jī)組主要技改方法與評(píng)估

3.1 風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)技改與評(píng)估

部分老舊風(fēng)場風(fēng)機(jī)主控系統(tǒng)硬件停產(chǎn)，備品備件采購困難，而且隨著電子器件老化故障較多，主控系統(tǒng)升級(jí)更換為主流控制系統(tǒng)是一種趨勢，如老舊風(fēng)機(jī)主控硬件ABB品牌PLC更換為BHM PLC。此方案主要是以解決故障頻發(fā)為目的，改造后性能評(píng)價(jià)可根據(jù)年、月、日需要統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)的故障發(fā)生次數(shù)，統(tǒng)計(jì)故障時(shí)間，計(jì)算設(shè)備故障率，對(duì)比分析改造前后的設(shè)備可用率。

3.2 機(jī)艙散熱技改與評(píng)估

3.2.1 機(jī)艙散熱技改

風(fēng)機(jī)機(jī)艙受自然環(huán)境的影響大，空氣中灰塵、沙粒以及柳絮等造成機(jī)艙齒輪箱散熱片散熱性能下降。目前解決機(jī)艙溫度的主要方法包括以下幾點(diǎn)：（1）人工專門清洗散熱片，提高散熱效率；（2）更換大功率冷卻器，將齒輪箱散熱片更換為大功率散熱器，并更換散熱風(fēng)扇，加大散熱通風(fēng)量；（3）加裝冷卻器，在原有冷卻器基礎(chǔ)上新增散熱冷卻器，使冷卻器串聯(lián)工作加速散熱；（4）機(jī)艙內(nèi)加裝冷卻風(fēng)機(jī)，塔筒底部加裝風(fēng)機(jī)向塔筒送風(fēng)，增大機(jī)艙內(nèi)空氣對(duì)流通風(fēng)，帶走熱量；（5）上置式變頻器改造，將變頻器改至塔筒底部，減少機(jī)艙內(nèi)熱源，降低機(jī)艙溫度。

3.2.2 機(jī)艙散熱技改后評(píng)估

技改前選擇環(huán)境溫度高、風(fēng)機(jī)連續(xù)穩(wěn)定高負(fù)荷運(yùn)行以及風(fēng)速較高且平均風(fēng)速穩(wěn)定的時(shí)間段進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，采集風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫、發(fā)電機(jī)軸承溫度、變頻器溫度以及機(jī)艙內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)機(jī)機(jī)艙散熱效果分析，技改后采集以上溫度參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析機(jī)艙散熱改造效果。

技改前，在環(huán)境溫度相同的時(shí)間段，選擇風(fēng)電機(jī)組發(fā)電量基本相同的時(shí)間段，采集風(fēng)機(jī)齒輪箱油溫、發(fā)電機(jī)軸承溫度、變頻器溫度以及機(jī)艙內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)最高溫度計(jì)持續(xù)時(shí)間，技改后采集以上數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析機(jī)艙散熱改造效果。

3.3 變頻器技改與評(píng)估

變頻器改造主要目的是降低設(shè)備故障率，減少變頻器溫度高導(dǎo)致的限功率運(yùn)行時(shí)間。主要改造方式包括整體更換故障較多的老舊變頻器，改造變頻器冷卻系統(tǒng)，更換新型散熱器，清洗水冷散熱器管路等。

變頻器技改后效果評(píng)估包括故障率評(píng)價(jià)，根據(jù)年、月、日需要統(tǒng)計(jì)變頻器的故障發(fā)生次數(shù)，統(tǒng)計(jì)故障時(shí)間，計(jì)算設(shè)備故障率，對(duì)比分析改造前后的設(shè)備可用率，此外監(jiān)測并統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間段內(nèi)風(fēng)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)變頻器的限功率運(yùn)行次數(shù)和時(shí)間，分析改造前后的設(shè)備可用率。

4 機(jī)組整體性能評(píng)估

4.1 功率曲線評(píng)估

通過機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)生產(chǎn)的功率曲線除了可以反映機(jī)組的功率特性外，還可以反映出機(jī)組本身的性能和故障狀態(tài)等，如機(jī)組運(yùn)行功率曲線可以反映葉片和風(fēng)速風(fēng)向儀等是否存在問題，因此機(jī)組交接之前需要對(duì)功率曲線進(jìn)驗(yàn)證，可根據(jù)《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范》（GB/T 20319—2017）的規(guī)定進(jìn)行測試與驗(yàn)證。

4.2 可利用率和故障率評(píng)估

可利用率和故障率是表征機(jī)組性能和可靠性的重要指標(biāo)。其中，可利用率通常采用單臺(tái)機(jī)組的可利用率和整個(gè)風(fēng)電場所有機(jī)組的平均可利用率進(jìn)行比較，其常規(guī)的計(jì)算方法包括基于時(shí)間和基于發(fā)電量的計(jì)算方法，可參照IWC 61400執(zhí)行。故障率反映的是機(jī)組某部件是否存在頻發(fā)性的缺陷，也是機(jī)組可靠性的重要指標(biāo)之一，對(duì)于重要部件應(yīng)設(shè)定指標(biāo)，以保證機(jī)組不會(huì)發(fā)生惡劣質(zhì)量事件。

5 技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

5.1 評(píng)價(jià)依據(jù)

技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的依據(jù)主要包括3部分，分別為GB/T 19960.1—2005《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第1部分：通用技術(shù)條件》《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組驗(yàn)收規(guī)范》以及GB/T 19960.2—2005《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 第2部分：通用試驗(yàn)方法》。

5.2 驗(yàn)收項(xiàng)目及指標(biāo)

5.2.1 風(fēng)機(jī)功率輸出

正常工作狀態(tài)下，機(jī)組實(shí)際功率輸出與理論值的偏差≤10%，當(dāng)實(shí)際風(fēng)速超過額定風(fēng)速時(shí)，風(fēng)機(jī)瞬間功率輸出應(yīng)≤額定值的135%，持續(xù)10 min的功率輸出應(yīng)≤額定值的115%。

風(fēng)電場應(yīng)能限制輸出功率的變化率，最大功率變化率包括1 min功率變化率和10 min功率變化率。在風(fēng)電場并網(wǎng)和風(fēng)速增長過程中，風(fēng)電場有功功率的變化應(yīng)滿足電網(wǎng)的要求，有功功率限值的推薦參考值如表1所示。此外，在電網(wǎng)緊急情況下，風(fēng)電場應(yīng)能快速自動(dòng)切除部分機(jī)組乃至整個(gè)風(fēng)電場。

表1 風(fēng)電場有功功率限值的推薦值參考

5.2.2 偏航系統(tǒng)

偏行系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求，風(fēng)機(jī)的偏航系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，且按照設(shè)計(jì)程序批準(zhǔn)文件制造，偏航系統(tǒng)應(yīng)采用失效安全設(shè)計(jì)，另外為保證發(fā)電機(jī)組的安全，重要的控制功能應(yīng)采取冗余方式設(shè)計(jì)，如電纜扭紋檢測和解纜等。要求常溫型的工作環(huán)境溫度為-20～+50 ℃，低溫型的工作環(huán)境溫度為-30～+50 ℃。此外，為避免風(fēng)輪軸和葉片軸產(chǎn)生過大陀螺力矩，偏航轉(zhuǎn)速值需要通過力學(xué)分析計(jì)算得出。推薦轉(zhuǎn)速值見表2。

表2 推薦轉(zhuǎn)速值

5.2.3 變槳控制

交流電源的頻率變化為47.5～51.5 Hz，電壓波動(dòng)為額定電壓的-15%～+10%，電源的不平衡度應(yīng)滿足GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》第4章的規(guī)定，在規(guī)程允許的范圍內(nèi)正常工作。交流電源諧波的電源波形為正弦波，諧波含量＜5%，直流電源中電壓允許偏差為-15%～+10%，電壓紋波系數(shù)＜5%。同時(shí)變槳距系統(tǒng)的過載能力應(yīng)達(dá)到在2倍，額定電流下持續(xù)運(yùn)行時(shí)間≥3 s。變槳系統(tǒng)在以上電源條件下應(yīng)工作正常，若超過此條件則需與制造廠協(xié)商。此外，在電網(wǎng)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌至低電壓穿越要求的電壓時(shí)，變槳系統(tǒng)應(yīng)與機(jī)組主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，保證風(fēng)機(jī)不脫網(wǎng)運(yùn)行。

5.2.4 可利用率的評(píng)定

通常用可利用率指標(biāo)來衡量風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的可靠性，其統(tǒng)計(jì)應(yīng)從試運(yùn)行結(jié)束后計(jì)算，計(jì)算方法如下：

式中，Ti為規(guī)定時(shí)期的總小時(shí)數(shù)；Tcm為因維修或故障情況導(dǎo)致風(fēng)力發(fā)電機(jī)組不能運(yùn)轉(zhuǎn)的小時(shí)數(shù)。需注意的是，由于外部環(huán)境條件因素導(dǎo)致的情況不作為故障處理。

5.2.5 接地電阻

接地電阻應(yīng)不大于設(shè)計(jì)要求，機(jī)組為了防雷應(yīng)有良好的導(dǎo)電通路，塔架需有可靠接地裝置，接地電阻應(yīng)＜4 Ω，如無特殊規(guī)定，單臺(tái)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的接地電阻值應(yīng)≤10 Ω。

6 結(jié) 論

風(fēng)電場風(fēng)機(jī)技術(shù)改造后可提高風(fēng)電場整體發(fā)電能力，增加風(fēng)場可利用小時(shí)數(shù)，減少故障停機(jī)次數(shù)和停機(jī)時(shí)間，提高風(fēng)機(jī)可靠性，節(jié)省檢修維護(hù)費(fèi)用，減輕檢修維護(hù)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。