900KW电励磁直驱机组整机优化技术应用案例

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900KW电励磁直驱机组整机优化技术应用案例国家能源局《关于 2021 年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》政策文件中明确提出启动老旧风电项目技改升级。

目录

一、背景

国家能源局《关于 2021 年风电、光伏发电开发建设有关事项的通知》政策文件中明确提出启动老旧风电项目技改升级。遵循企业自愿原则，鼓励业主单位通过技改、置换等方式，重点开展单机容量小于 1.5MW 的风电机组技改升级。鼓励地方开展试点，在试点基础上，国家出台政策，地方制定具体细则并组织实施，促进风电产业提质增效和循环发展。

全国 1.5MW 及以下老旧风电机组装机超 11000 万千瓦，机组开发时间较早，大部分位于风资源优异的地区。而老旧风电机组因为设计缺陷和运行年限久因素，造成发电能力一般、预警和故障监测点不足、批量性的关键重点部件更换频次高，从而导致运维成本较高，运行安全风险大，普遍存在发电能力差、故障率高、安全隐患多等问题。

900KW 电励磁直驱机组为电励磁直驱发电机，电动直流变桨系统。由于机组频繁的发电机过温问题、电控系统故障或安全隐患，电控系统亟待改造，降低故障率，提高机组可利用率，增加发电时间，降低机组运行维护成本，为业主创造效益。

通过对 900KW 机组整机进行整体优化升级项目的实施，可以从根本上解决发电机绕组过温、变流系统故障率高、偏航制动部件损坏、液压站故障、备件采购困难，采购周期长的问题；降低电控系统故障停机时间，提升机组的发电量。

二、应用案例

1、项目概述

项目位于甘肃省，风场一共分为两期，一期风电场项目装机容量49.5MW，采用55 台900kW电励磁直驱型风机，风电场于 2012 年 8 月31 日全部投产发电。项目在实施前风场存在以下的问题：

1.1 主控问题

1) 机舱不能进行顺桨和推桨操作，也无法显示变桨角度，需要中控操作和报告变桨角度。

2) 软件控制类故障较多，例如变桨系统故障频发，例如变桨不同步，变桨角度故障。

3) 机舱和塔底大量信号需通过自制板卡收集信号，然后传给PLC 模块，自制板卡采购困难，通用性差。

4) 主控软件没有故障录波功能，无法记录故障前毫秒级机组数据信息，给故障分析带来困难。

1.2 变桨问题

1) 变桨系统故障占总故障次数在 50%以上，变桨故障频繁。

2)变桨系统元器件损坏频率高，包括变桨电机，驱动器，测速电机等元件。

3) 变桨电池损坏率高，平均每年每台机组更换超过一个电池组，有部分机组在做安全链测试时无法正常收桨。

1.3偏航问题

1) 发电机制动液压站基本已失效，故障率高。

2)偏航刹车目前使用阻尼刹车，阻尼刹车不能提供足够的制动力矩，需要改成液压刹车。

工程实施各时间段及内容计划如下，分为六个阶段：

第一阶段采集风电场地理、风资源、设备等详细信息情况；

第二阶段根据实际情况，选择、设计审核机组改造方案等工作；第三阶段全面核算经济效益，确定成本，决定最终改造方案； 第四阶段设计现场安装图，包括软件编写和硬件设备装配；

第五阶段组织实施阶段，按照预定方案组织华仪风机的改造实施过程；

第六阶段最终安装调试及试运阶段。

2、改造后目标及收益

2.1 主控系统改造后的目标

1) 在机舱控制柜能够进行顺桨和推桨操作，并在机舱增加人机界面。

2) 机舱和塔底使用自制板卡采集的信号改用 PLC 模块或专用模块进行采集，解决通用性和备件采购问题。

2.2 变桨系统改造后的目标

1) 变桨系统故障总次数大幅下降，变桨故障时间大幅下降。

2)在变桨系统工作电源正常供电情况下，优先使用工作电源执行变桨动作。

3)电动变桨系统在手动变桨时应具备逻辑互锁功能。

4)更换成性能更优良的滑环系统，解决滑环系统老化和故障率高的问题。

2.3偏航系统改造后的目标

1) 更换成新的液压系统，解决液压站故障率高的问题。

2) 需要将发电机液压制动系统和偏航液压制动系统整合在一个液压站内，使液压系统集成化，减小故障率

2.4 变流器改造后的目标

1)解决频繁报变流器故障问题，技改后变流故障时间大幅降低。

2)技改后变流器满足涉网相关要求。

三、技术要点

900KW 电励磁机组整机优化主要分为控制系统优化、变流系统优化、偏航液压系统优化。

1）针对控制系统的升级优化，主要采用控制系统软件开发与电控系统硬件同步优化设计的方式，采用全新的、适用于机组实际工况的电控系统。

2）针对变流系统的升级优化，金风科技采用全新设计的变流系统对机组原变流系统整体替换，根本上解决变流系统故障多发的问题。

3） 针对液压系统的优化，主要是液压系统工况校核与重新开发。由于机组目前安装的给发电机制动器提供压力的液压站基本都处于失效状态，液压系统为风力发电机组偏航制动器、发电机转子制动器提供液压动力。解决偏航液压站问题可降低机组故障率、保证机组安全可靠。

成果创新性主要有以下几点：

1） 控制程序架构使用模块化结构，实现了机组数据的安全性和保密性要求。

2）根据机组内部空间，采用全新设计的全功率变流系统，替换机组原有的变流系统， 该系统结构紧凑，搬运方便，其安全性及散热性能极大提高；

3） 对变流系统控制策略进行优化，在电网正常时采用最大功率跟踪控制和限功率控制，

提高了风能利用系数，可以使功率曲线得到一定的优化，与主控配合具备高电压故障穿越能 力(HVRT)、低电压故障穿越能力(LVRT)；

4） 相对与机组原装变流系统，升级后的变流系统增加了故障存储、数据记录等功能，便于检修人员快速定位故障；同时变流系统支持远程传输机组运行状态数据，方便统计机组运行过程数据与发电报表，便于风电场安全生产管理；人机交互软件为中文版本，界面更友好，操作更方便，有利于现场人员运维。

四、应用前景

从运维和设备安全角度方面考虑，整机优化十分必要，尤其可提高机组安全性与可靠性。近年来发生的风电事故，多集中在 2012 年之前并网的老旧机组，早期风机设计制造技术及经验不足，配套产业链不完善，机组环境适应性不强，导致机组可靠性低、故障多、安全隐患多，叶片断裂、飞车倒塔、机舱着火等重大设备事故时有发生。整机优化也是未来要实现“双碳目标”开发更多的清洁能源必须要走的一条路。

通过机组优化升级，提高机组发电量，为客户创造价值。相对于当前的风电技术而言，早期的老旧风场拥有着 7~8m/s 以上的风资源，平均发电量小时数却在 2000 小时以下。以现有的技术，7m/s 以上的风资源基本可以发到 3500 小时以上，发电量相差较大。风机技改是提升发电量、保障风电机组安全运行、降低风电运维成本的重要手段，风机技改可有效扭转企业经营困难局面，提高清洁低碳电量规模，前景广阔。