風電機組變頻器下置塔基優化技術應用案例

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風電機組變頻器下置塔基優化技術應用案例我國早期雙饋機型使用進口變頻器（如ABB），且大部分安裝於機艙。而變頻器隨着運行時間的增加，故障率逐年上升；部分進口變頻器已停產，備件採購成本增加，採購渠道不暢，風場運維成本增加；變頻器位於塔上，維修不便，停機時間逐年增加。

目錄

一、背景

我國早期雙饋機型使用進口變頻器（如ABB），且大部分安裝於機艙。而變頻器隨着運行時間的增加，故障率逐年上升；部分進口變頻器已停產，備件採購成本增加，採購渠道不暢，風場運維成本增加；變頻器位於塔上，維修不便，停機時間逐年增加。因此，業主迫切需求一種國產變頻器對老舊進口變頻器進行替代，並將新變頻器安裝於塔基平台，方便維護。

二、應用案例

某風場於2013年4月投產運行，至今已運行8年有餘，變頻器模塊老化、電容絕緣降低、高溫運行狀態下IGBT板頻發故障炸機。根據現場統計數據，變頻器故障次數和導致的停機時間在2018年出質保後呈逐年上升的趨勢，且ABB變頻器備件價格高昂，購買周期較長。業主與我司協商解決方案，經前期技術可行性調研及經濟性分析，確定了將該風場ABB變頻器更換為國產變頻器並放置於塔基的改造需求。

風機使用壽命周期20年，目前已近運行7.5年，使用周期為12.5年，12.5年中變頻器改造升級每颱風機需要一次性投入57.698萬元；按照2019年24颱風機變頻器故障損失電量約為78.97萬千萬時，單颱風機平均故障損失電量約為3.29萬千萬時，按電價0.51元/千瓦時，折合人民幣約為32900*0.51元=16779元。按照2019年24台變頻器故障70次，每颱風機故障3次，每次維修平均時長2天2人，維修人工成本大約為7000元,使用備件平均60000元。

綜上：最長投支回收期=57.698/（16779+7000+60000）≈6.8年

風機運行12.5年，投資回收期為6.8年，故14.3年後開始產生效益，產生效益為5.7年，最少產生效益為（16779+7000+6000）*5.7≈477540元

綜上：最小投資收益率=477540/576980*100%≈82.8%

三、技術要點

1. 電纜設計及載流量校核

上置變頻器機組塔筒動力電纜包含12根1*240網側電纜及1根地線電纜，變頻器下置改造將在原有電纜基礎上進行發電機定、轉子電纜布線設計。

1.1 發電機參數及電纜參數

1）發電機參數

發電機參數

額定功率（發電機輸出） 2150KW

型式 雙饋異步發電機

變頻器安裝於塔基平台，計算電纜載流量時可按最高環境溫度50℃分析。查《工業於民用配電設計手冊第四版上下冊》9.3.1.3.章節：敷設處環境對布線系統載流量的影響，有溫度修正係數為：733.png。

1.2 載流量計算

1） 定子電纜

a）各工況定子電流

由發電機參數表可知：

u 功率因數1，電壓為1.0pu時，定子電流為1544A；

u 功率因數0.95，電壓為1.0pu時，定子電流為1628A；

u 功率因數0.95，電壓為0.9pu時，定子電流為1809A。

b）定子載流量計算

採用極端工況功率因數0.95，電壓為0.9pu時，載流量核算如下：

I=600*3*0.82=1476A＜1809A，即定子側每相採用3根3*240電纜不能滿足載流量需求。

若要達到載流量需求：

I=600*4*0.82=1968A＞1809A，即定子側每相採用4根1*185電纜。

2）轉子電纜

轉子側電纜採用功率因數0.95（電流為667A），載流量核算如下：

I=600*1*0.82=492A＜667A，即轉子側每相採用1根1*240電纜不能滿足載流量要求。

若要達到載流量要求：

I=510*2*0.82=836A＞667A，即轉子側每相採用2根1*185電纜。

3）PE電纜

PE電纜不涉及載流量的情況，可將發電機定子側PE和發電機轉子側PE共同接在公共接地點，然後在公共接地點通過1根1*240電纜直接至基礎接地扁鋼。

1.3 發電機定轉子電纜設計

根據上述電纜載流量計算可知，直接通過使用12根1*240動力電纜作為機組的定子側和轉子側電纜載流量不能滿足設計要求。

要實現最大化利用現有物資，將原網側的12根1*240電纜用於變頻器下置之後的定子側動力電纜，新增6根1*185電纜用於變頻器下置之後的轉子側動力電纜，接地採用發電機轉子側PE和發電機定子側PE接入公共接地點後通過原1*240接地電纜直接接入基礎接地扁鋼。

2. 塔基平台改造

根據變頻器選用型號，需結合改造現場機組塔基布局進行變頻器安裝位置設計，按照設計位置進行變頻器安裝位置的塔基平台開孔、加固改造，平台開孔須避開平台板交疊處，對改造後平台多餘孔洞進行封堵。

改造內容具體包括以下幾點：

1）接線櫃/開關櫃

改造機組有接線櫃/開關櫃需拆除，占用塔基空間，新變頻器下端直接接入箱變至機組的電網側電纜，改造後不再需要接線櫃/開關櫃用作連接箱變電纜。

2）塔基櫃

根據改造現場情況，設計的新變頻器安裝布局，可對塔基櫃進行移位安裝。

3）塔基平台蓋板

塔基平台蓋板多位於塔基櫃對面，新變頻器安裝於塔基後必有一個柜子臨近塔基平台蓋板，需將平台蓋板開合方向調整到向塔筒壁打開，才不會影響塔基平台蓋板正常打開。

4）平台加固

新變頻器進入塔基後，塔基平台承重不滿足要求，需進行平台加固，在櫃體底部加裝支撐柱。

5）塔基散熱

a）風冷變頻器

將塔基門板原有的通風過濾口位置替換為兩個散熱風扇，受變頻器控制，兩個散熱風扇均朝塔筒內吹風，將塔基熱量利用煙囪效應向上散熱。

b）水冷變頻器

水冷變頻器選用水冷一體機，水冷變頻器總體長度相對風冷變頻器更長，塔基平台還需開水管過孔，塔筒門框需要開過水管孔和過線孔，塔筒進門口需安裝人梯，防止踩踏水管，塔筒外梯旁安裝散熱器水泥底座和水冷散熱器。

四、應用前景

我國早期裝機的雙饋型機組多數為變頻器上置，隨着運行時間的增加，變頻器的故障率、人員的維護強度、停機的發電量損失都會不可避免的增加。為緩解這種壓力，針對老舊機型進行改造，將故障率高的變頻器更換為穩定的國產變頻器並放置於塔基不失為一種行之有效的方法，既可以降低機組整體故障率，提高發電量；也可減少維護人員的維護時間，降低勞動強度。目前經我司經手的變頻器國產化及下置改造，已有不下10個風場，可以預見在我國在役機組老齡化日趨嚴重的將來，變頻器國產化及下置改造將會迎來更多的機會。