风电机组并网开关回路问题的处理探索

文 | 姜山

风力发电是21世纪日益重要的绿色电力。随着风电技术水平的快速发展，机组的可靠性和不间断运行时间也在逐渐提高和增加，风力发电技术已经成为目前相对成熟、极具规模化开发和商业化发展的新能源技术。

对投运时间较长的老风电场来讲，随着运行时间的延长，机组部件的老化、损耗现象开始显现：如偏航齿轮面的磨损，将导致偏航噪音加大，并引起偏航振动超出限定值；变桨系统的老化，致使变桨动作不能准确执行，风能捕获效率降低。由此加强主要部件的缺陷处理，并不断寻求机组并网运行后部件的最佳运行方式，是降本增效的有效手段之一。

本文通过对风电机组并网开关回路中存在问题的分析，提出切实可行的技改措施，为机组的可靠运行奠定基础。

风电场概况

本文所涉及的风电场地处河北省坝上地区尚义县境内，一期项目于2005年并网发电，至2008年第四期项目建设期结束时，总装机容量达到18.3万千瓦，共安装122台单机容量为1500千瓦的双馈机组。升压站内安装4台5万千伏安主变压器，通过两路110千伏架空线路送出，并入国家电网公司张北220千伏变电站。

风电机组并网开关存在的主要问题

一、并网开关动作频繁

风电场内一、二、三期风电机组为国内投运时间较早、型号偏老的风电机组，该系列的89台风电机组采用AEG ME1607并网开关与网侧同步，进行投入和切出。

目前一期风电机组自2005年投运以来，运行时间已达13年，并网开关的平均动作次数已超过8000次。根据风电机组维护保养手册要求，并网开关的设计寿命为10000次，届时需要全面更换。根据实际运行情况，并网开关机械结构在动作5000次后就需要进行维修、保养，如果机械结构损坏严重，视为无检修价值。2012与2013年89台风电机组中更换并网开关的数量分别为19台和23台。2014年风电机组故障更换并网开关29台次，费用约200万元。并网开关故障次数呈逐年上升趋势，造成较大的采购、维修成本和巨大的发电量损失。

运行情况表明，风电机组通过并网开关与网侧同步投切存在一些弊端和安全隐患。若并网开关不能正确脱扣将导致联轴器打滑损坏、频繁报出[141]故障，使得发电量受损进而损坏并网开关、crowbar、变频器等零部件。

二、储能电机连接环失效

每一次并网开关的闭合，都会触发储能电机为并网开关储能，随着动作次数的增加，储能电机与储能机构的连接铜环磨损严重以致失效，无法使储能机构恢复到工作位置，此时储能电机会一直工作直至发热烧毁。随着风电机组投运时间的延长，储能电机过热烧毁次数也逐年增多。

储能电机过热烧毁后，除了风电机组无法正常工作，还会导致整个并网开关线路及继电器的损坏，届时只能将并网开关整体更换。并网开关购买费用大概在10万元左右，而替换下的并网开关近乎报废，维修价值不大（文中风电场每年因此种情况而更换并网开关的机组有十台左右）。另外储能电机过热所导致的潜在危险也很大，过热将会在开关柜内产生明火，而并网开关的外壳、继电器等部分都是塑料制品，若不能得到及时有效控制，会导致风电机组塔基的整体失火。

针对上述问题采取的措施

风电场运行检修人员通过运行数据发现，机组在切入风速的时间段内并网开关频繁动作，会缩短开关寿命。根据电气原理分析，可通过加装接触器减少并网开关的分合；将ME1607老款型号的并网开关逐步更换为ME1609新型号的并网开关；对并网开关的储能电机回路进行改造，防止储能电机损坏等三种方式解决上述并网开关运行存在的问题。

图1 K1接触器回路图

一、加装K1接触器减少并网开关分合次数

近年来，针对该风电场89台风电机组并网开关的频繁损坏以及并网开关无法脱网等情况，首先采取的措施是：在回路中增加一个接触器来代替开关进行并网、脱网等电气动作，在减少并网开关分合次数增加其使用寿命的同时，大大提高风电机组的电气安全性能。

同时，减少了由于并网开关故障停机所引发的变频器等其他元件的损坏，大大增加了风电机组的稳定性。

（一）改造方案

通过对比国内外其他品牌风电机组的设计发现，大多数的风力发电机组是通过接触器实现与网侧同步、依靠并网开关实现保护功能的。这也符合供、配电设计的规范和要求。

2013年该风电场对5台风电机组（2#、5#、9#、29#、33#）进行技术改造，使机组与电网的同步由一个独立的接触器来实现（图1），这有助于预防变频器的主要故障及其他电气问题，并延长风电机组中并网开关的工作寿命。

图2 机组与电网功率交换示意图

并网开关改造主要工作为加装接触器及相应程序重新写入，K1接触器改造主要由柜体本身和外接电缆两部分构成。

K1接触器的平均寿命（用作并网开关时）为10万次，其日常维护和检修量显著减少（新K1接触器经电机工程学会认可的电弧测试后独立安装）。

发电机通过接触器与网侧同步，依靠断路器实现过流、过压等保护功能的改造方法，符合供、配电的设计规范和要求（图2）。

根据风电机组的具体结构，接触器柜体可安装于塔底低压柜顶部或底层平台，为后期维护提供便利（图3）。

通过加装K1接触器来实现风电机组与网侧同步的方案具有以下优点：

1.减少并网开关维护和检修的相关费用。利用接触器的通断实现风电机组并网，接触器的开合次数6倍于并网开关的开合次数，因此无需再更换并网开关，节省了并网开关每三年的维护、检修费用；

2.减少相关设备如变频器、低压柜等的维修成本；

3.减少故障次数和风电机组停机时间；

4.增强并网开关的可靠性。

（二）安装效果

在2014年1月至2015年6月期间，已经安装K1接触器的5台机组（2#、5#、9#、29#、33#）运行可靠性进一步提高，并网开关每年的动作次数大大减少，故障率为零，通过与其他未加装K1接触器的机组对比发现，故障时间也明显减少（表1）。

通过并网开关的动作次数可以看出，加装K1接触器后，并网开关动作次数几乎可以忽略不计，可保证机组运行20年不更换并网开关。

二、将并网开关由ME1607升级为ME1609

对比国内外其他品牌风电机组的设计发现，有相当数量的风力发电机组是通过与网侧同步的框架式断路器实现保护功能的。目前 ME1607并网开关（即框架式断路器）国内组装厂已停产，并且AEG中国销售公司没有存货，每次购买备件需要从国外进货，周期较长。根据这一情况，通过开展并网开关产品的替代试验，实现ME1609型并网开关对ME1607型并网开关的替代。同时ME1609型并网开关设计寿命高达20000次，远高于 ME1607型并网开关10000次的设计寿命。

（一）替代方案

利用AEG公司升级产品ME1609型并网开关垂直替代AEG ME1607型并网开关，只增加并网开关底座转接板和二次插头引线即可。ME1609型并网开关保护性能要优于AEG ME1607型并网开关，且ME1609型并网开关跳、合闸线圈损坏后可以单独更换，其他附件损坏也可以单独更换，节省了整体更换并网开关的高额费用。

2014年10月该风电场完成了2台风电机组（37#、38#）并网开关的升级改造工作。并网开关改造主要工作为ME1609型并网开关底座重新制作、铜排重新制作、二次接线插头重新制作，这些改造工作在并网开关组装厂内完成后运至现场。

图3 部件安装位置示意图

表1 运行数据对照表

1.ME1607型并网开关升级为ME1609型并网开关后所对应图纸（图5）。

2.改造完成后现场图片（图6）。

（二）替代效果

风电场37#、38#机组进行并网开关的升级替代后，机组运行稳定，未发生与并网开关相关的故障，目前该风电场正在逐步进行替代改造工作。

三、并网开关加装储能电机保护回路

图4 K1加装完工实际效果图

图5 并网开关替代对应图纸

改造前，储能电机直接接到并网开关端子排上，供电方式由微开关来控制通断（图7），若连接环磨损，储能机构不能储能到位，则储能电机供电回路一直保持电源接通方式，直到储能电机烧毁。

（一）改造后的运行方式

如图8所示，在储能电机供电回路的末端加装串联的延时断开继电器和温差检测装置。连接环损坏后，若电源持续接通，则由通电延时继电器将回路断开。若延时继电器损坏不能断开回路，也会造成储能电机的持续运行，致使电机发热烧毁，此时，温差检测装置检测到电机与外部环境温差大于设定值后，立即断开供电回路，避免储能电机持续运行发热烧毁。

（二）并网开关加装保护回路取得的成果

风电场于2017年6月开始针对20台风电机组的并网开关储能电机加装保护回路，通过加装的保护回路及时将供电断开，避免了储能电机的持续运行发热烧毁，节约购买储能电机费用约20万元。预计到今年年底，将全部完成并网开关储能电机保护回路加装工作。

图6 升级改造后现场图片

图7 储能电机供电回路图纸

图8 加装控制回路后储能电机供电回路图纸

结语

2013年以来，该风电场对风电机组ME1609型并网开关采取多项措施进行改造，改造后机组并网开关运行可靠性大大提高，采购费用明显降低，同时替代产品的实施有效解决了进口备件采购难、周期长的问题。