风电机组变频器下置塔基优化技术应用案例

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风电机组变频器下置塔基优化技术应用案例我国早期双馈机型使用进口变频器（如ABB），且大部分安装于机舱。而变频器随着运行时间的增加，故障率逐年上升；部分进口变频器已停产，备件采购成本增加，采购渠道不畅，风场运维成本增加；变频器位于塔上，维修不便，停机时间逐年增加。

目录

一、背景

我国早期双馈机型使用进口变频器（如ABB），且大部分安装于机舱。而变频器随着运行时间的增加，故障率逐年上升；部分进口变频器已停产，备件采购成本增加，采购渠道不畅，风场运维成本增加；变频器位于塔上，维修不便，停机时间逐年增加。因此，业主迫切需求一种国产变频器对老旧进口变频器进行替代，并将新变频器安装于塔基平台，方便维护。

二、应用案例

某风场于2013年4月投产运行，至今已运行8年有余，变频器模块老化、电容绝缘降低、高温运行状态下IGBT板频发故障炸机。根据现场统计数据，变频器故障次数和导致的停机时间在2018年出质保后呈逐年上升的趋势，且ABB变频器备件价格高昂，购买周期较长。业主与我司协商解决方案，经前期技术可行性调研及经济性分析，确定了将该风场ABB变频器更换为国产变频器并放置于塔基的改造需求。

风机使用寿命周期20年，目前已近运行7.5年，使用周期为12.5年，12.5年中变频器改造升级每台风机需要一次性投入57.698万元；按照2019年24台风机变频器故障损失电量约为78.97万千万时，单台风机平均故障损失电量约为3.29万千万时，按电价0.51元/千瓦时，折合人民币约为32900*0.51元=16779元。按照2019年24台变频器故障70次，每台风机故障3次，每次维修平均时长2天2人，维修人工成本大约为7000元,使用备件平均60000元。

综上：最长投支回收期=57.698/（16779+7000+60000）≈6.8年

风机运行12.5年，投资回收期为6.8年，故14.3年后开始产生效益，产生效益为5.7年，最少产生效益为（16779+7000+6000）*5.7≈477540元

综上：最小投资收益率=477540/576980*100%≈82.8%

三、技术要点

1. 电缆设计及载流量校核

上置变频器机组塔筒动力电缆包含12根1*240网侧电缆及1根地线电缆，变频器下置改造将在原有电缆基础上进行发电机定、转子电缆布线设计。

1.1 发电机参数及电缆参数

1）发电机参数

发电机参数

额定功率（发电机输出） 2150KW

型式 双馈异步发电机

变频器安装于塔基平台，计算电缆载流量时可按最高环境温度50℃分析。查《工业于民用配电设计手册第四版上下册》9.3.1.3.章节：敷设处环境对布线系统载流量的影响，有温度修正系数为：733.png。

1.2 载流量计算

1） 定子电缆

a）各工况定子电流

由发电机参数表可知：

u 功率因数1，电压为1.0pu时，定子电流为1544A；

u 功率因数0.95，电压为1.0pu时，定子电流为1628A；

u 功率因数0.95，电压为0.9pu时，定子电流为1809A。

b）定子载流量计算

采用极端工况功率因数0.95，电压为0.9pu时，载流量核算如下：

I=600*3*0.82=1476A＜1809A，即定子侧每相采用3根3*240电缆不能满足载流量需求。

若要达到载流量需求：

I=600*4*0.82=1968A＞1809A，即定子侧每相采用4根1*185电缆。

2）转子电缆

转子侧电缆采用功率因数0.95（电流为667A），载流量核算如下：

I=600*1*0.82=492A＜667A，即转子侧每相采用1根1*240电缆不能满足载流量要求。

若要达到载流量要求：

I=510*2*0.82=836A＞667A，即转子侧每相采用2根1*185电缆。

3）PE电缆

PE电缆不涉及载流量的情况，可将发电机定子侧PE和发电机转子侧PE共同接在公共接地点，然后在公共接地点通过1根1*240电缆直接至基础接地扁钢。

1.3 发电机定转子电缆设计

根据上述电缆载流量计算可知，直接通过使用12根1*240动力电缆作为机组的定子侧和转子侧电缆载流量不能满足设计要求。

要实现最大化利用现有物资，将原网侧的12根1*240电缆用于变频器下置之后的定子侧动力电缆，新增6根1*185电缆用于变频器下置之后的转子侧动力电缆，接地采用发电机转子侧PE和发电机定子侧PE接入公共接地点后通过原1*240接地电缆直接接入基础接地扁钢。

2. 塔基平台改造

根据变频器选用型号，需结合改造现场机组塔基布局进行变频器安装位置设计，按照设计位置进行变频器安装位置的塔基平台开孔、加固改造，平台开孔须避开平台板交叠处，对改造后平台多余孔洞进行封堵。

改造内容具体包括以下几点：

1）接线柜/开关柜

改造机组有接线柜/开关柜需拆除，占用塔基空间，新变频器下端直接接入箱变至机组的电网侧电缆，改造后不再需要接线柜/开关柜用作连接箱变电缆。

2）塔基柜

根据改造现场情况，设计的新变频器安装布局，可对塔基柜进行移位安装。

3）塔基平台盖板

塔基平台盖板多位于塔基柜对面，新变频器安装于塔基后必有一个柜子临近塔基平台盖板，需将平台盖板开合方向调整到向塔筒壁打开，才不会影响塔基平台盖板正常打开。

4）平台加固

新变频器进入塔基后，塔基平台承重不满足要求，需进行平台加固，在柜体底部加装支撑柱。

5）塔基散热

a）风冷变频器

将塔基门板原有的通风过滤口位置替换为两个散热风扇，受变频器控制，两个散热风扇均朝塔筒内吹风，将塔基热量利用烟囱效应向上散热。

b）水冷变频器

水冷变频器选用水冷一体机，水冷变频器总体长度相对风冷变频器更长，塔基平台还需开水管过孔，塔筒门框需要开过水管孔和过线孔，塔筒进门口需安装人梯，防止踩踏水管，塔筒外梯旁安装散热器水泥底座和水冷散热器。

四、应用前景

我国早期装机的双馈型机组多数为变频器上置，随着运行时间的增加，变频器的故障率、人员的维护强度、停机的发电量损失都会不可避免的增加。为缓解这种压力，针对老旧机型进行改造，将故障率高的变频器更换为稳定的国产变频器并放置于塔基不失为一种行之有效的方法，既可以降低机组整体故障率，提高发电量；也可减少维护人员的维护时间，降低劳动强度。目前经我司经手的变频器国产化及下置改造，已有不下10个风场，可以预见在我国在役机组老龄化日趋严重的将来，变频器国产化及下置改造将会迎来更多的机会。