魏久北

（中電投電力工程有限公司，上海 200233）

1 研究背景

我國風力資源豐富，隨著風電裝機裝規(guī)模的擴大，風力發(fā)電技術(shù)也日益成熟可靠。早期投運的老舊風場由于受限于當時的技術(shù)條件，加之風力資源環(huán)境的變換，導致部分風電場的利用小時數(shù)大幅降低，風場發(fā)電經(jīng)濟性較差，達不到當初方案設計要求。另外，老舊風場除了風資源環(huán)境改變的因素外，主要原因還有機組機型老化、設備故障多以及維護不及時造成機組利用小時數(shù)降低、風機機位布置與測風數(shù)據(jù)偏差較大和造成風電機組與風資源不匹配導致機組潛能不能充分發(fā)揮等。

早期建設的風電場擁有最好的區(qū)域風力資源優(yōu)勢，所以對此類風場的風機進行技術(shù)改造提高風場發(fā)電利用小時數(shù)顯得尤為重要?，F(xiàn)階段，由于標準體系不健全，建設方與制造商對風力發(fā)電機組技改后最終驗收項目的認知存在較大偏差，在機組技改后不能客觀準確地評估設備改造水平和狀態(tài)，造成制造商和開發(fā)商互相推諉，本方案從機組的技術(shù)改造和性能評估兩個方面對風力發(fā)電機組的最終技改效果進行分析與總結(jié)，最終提出具體的驗收性能評價方法[1]。

2 風電機組技改評估檢查項目

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

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

3 風電機組主要技改方法與評估

3.1 風機主控系統(tǒng)技改與評估

部分老舊風場風機主控系統(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)升級更換為主流控制系統(tǒng)是一種趨勢，如老舊風機主控硬件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，改造后性能評價可根據(jù)年、月、日需要統(tǒng)計控制系統(tǒng)的故障發(fā)生次數(shù)，統(tǒng)計故障時間，計算設備故障率，對比分析改造前后的設備可用率。

3.2 機艙散熱技改與評估

3.2.1 機艙散熱技改

風機機艙受自然環(huán)境的影響大，空氣中灰塵、沙粒以及柳絮等造成機艙齒輪箱散熱片散熱性能下降。目前解決機艙溫度的主要方法包括以下幾點：（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，并更換散熱風扇，加大散熱通風量；（3）加裝冷卻器，在原有冷卻器基礎上新增散熱冷卻器，使冷卻器串聯(lián)工作加速散熱；（4）機艙內(nèi)加裝冷卻風機，塔筒底部加裝風機向塔筒送風，增大機艙內(nèi)空氣對流通風，帶走熱量；（5）上置式變頻器改造，將變頻器改至塔筒底部，減少機艙內(nèi)熱源，降低機艙溫度。

3.2.2 機艙散熱技改后評估

技改前選擇環(huán)境溫度高、風機連續(xù)穩(wěn)定高負荷運行以及風速較高且平均風速穩(wěn)定的時間段進行數(shù)據(jù)分析，采集風機齒輪箱油溫、發(fā)電機軸承溫度、變頻器溫度以及機艙內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行風機機艙散熱效果分析，技改后采集以上溫度參數(shù)，通過數(shù)據(jù)對比分析機艙散熱改造效果。

技改前，在環(huán)境溫度相同的時間段，選擇風電機組發(fā)電量基本相同的時間段，采集風機齒輪箱油溫、發(fā)電機軸承溫度、變頻器溫度以及機艙內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計最高溫度計持續(xù)時間，技改后采集以上數(shù)據(jù)進行對比，分析機艙散熱改造效果。

3.3 變頻器技改與評估

變頻器改造主要目的是降低設備故障率，減少變頻器溫度高導致的限功率運行時間。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估包括故障率評價，根據(jù)年、月、日需要統(tǒng)計變頻器的故障發(fā)生次數(shù)，統(tǒng)計故障時間，計算設備故障率，對比分析改造前后的設備可用率，此外監(jiān)測并統(tǒng)計一定時間段內(nèi)風機滿負荷運行時變頻器的限功率運行次數(shù)和時間，分析改造前后的設備可用率。

4 機組整體性能評估

4.1 功率曲線評估

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

4.2 可利用率和故障率評估

可利用率和故障率是表征機組性能和可靠性的重要指標。其中，可利用率通常采用單臺機組的可利用率和整個風電場所有機組的平均可利用率進行比較，其常規(guī)的計算方法包括基于時間和基于發(fā)電量的計算方法，可參照IWC 61400執(zhí)行。故障率反映的是機組某部件是否存在頻發(fā)性的缺陷，也是機組可靠性的重要指標之一，對于重要部件應設定指標，以保證機組不會發(fā)生惡劣質(zhì)量事件。

5 技術(shù)評價指標

5.1 評價依據(jù)

技術(shù)評價指標的依據(jù)主要包括3部分，分別為GB/T 19960.1—2005《風力發(fā)電機組 第1部分：通用技術(shù)條件》《風力發(fā)電機組驗收規(guī)范》以及GB/T 19960.2—2005《風力發(fā)電機組 第2部分：通用試驗方法》。

5.2 驗收項目及指標

5.2.1 風機功率輸出

正常工作狀態(tài)下，機組實際功率輸出與理論值的偏差≤10%，當實際風速超過額定風速時，風機瞬間功率輸出應≤額定值的135%，持續(xù)10 min的功率輸出應≤額定值的115%。

風電場應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。在風電場并網(wǎng)和風速增長過程中，風電場有功功率的變化應滿足電網(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，風電場應能快速自動切除部分機組乃至整個風電場。

表1 風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)應滿足以下要求，風機的偏航系統(tǒng)設計應符合設計規(guī)范的要求，且按照設計程序批準文件制造，偏航系統(tǒng)應采用失效安全設計，另外為保證發(fā)電機組的安全，重要的控制功能應采取冗余方式設計，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)速值需要通過力學分析計算得出。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，電壓波動為額定電壓的-15%～+10%，電源的不平衡度應滿足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%。同時變槳距系統(tǒng)的過載能力應達到在2倍，額定電流下持續(xù)運行時間≥3 s。變槳系統(tǒng)在以上電源條件下應工作正常，若超過此條件則需與制造廠協(xié)商。此外，在電網(wǎng)規(guī)定的時間內(nèi)，當電網(wǎng)電壓跌至低電壓穿越要求的電壓時，變槳系統(tǒng)應與機組主控系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制，保證風機不脫網(wǎng)運行。

5.2.4 可利用率的評定

通常用可利用率指標來衡量風力發(fā)電機組的可靠性，其統(tǒng)計應從試運行結(jié)束后計算，計算方法如下：

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

5.2.5 接地電阻

接地電阻應不大于設計要求，機組為了防雷應有良好的導電通路，塔架需有可靠接地裝置，接地電阻應＜4 Ω，如無特殊規(guī)定，單臺風力發(fā)電機組的接地電阻值應≤10 Ω。

6 結(jié) 論

風電場風機技術(shù)改造后可提高風電場整體發(fā)電能力，增加風場可利用小時數(shù)，減少故障停機次數(shù)和停機時間，提高風機可靠性，節(jié)省檢修維護費用，減輕檢修維護人員勞動強度，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。