并网接触器在风机变流器中的应用研究

郭宽

（中节能港建风力发电（张北）有限公司，河北张家口，075000）

1 风机变流器并网原理

变流器检测到发电机转速已经在并网同步转速范围之内后，闭合预充电单元，网侧变流器开始给直流母线电容充电（如果没有预充电环节，而直接吸合网侧接触器，较大的电势差会使转子接触器造成较大的冲击，形成瞬间过电流）。充电完成后转子侧变流器根据发电机转速进行发电机转子励磁，励磁之后会在发电机定子侧感应出电压，在检测到定子电压与电网电压同频率、同相位、同幅值之后，定子并网接触器吸合，并网完成。

2 并网接触器的作用

某风场变流器在未改造前采用主断路器作为并网开关（无并网接触器），这种老式结构可能会出现主断路器“静态合闸”或者“分闸不及时”的现象。该问题出现时，双馈电机转子侧开路，随着发电机转速偏离额定转速，转子侧电压逐渐升高，最终达到2000V以上。转子侧模块导通形成回路，出现大电流。Crowbar启动保护，但是由于电流过大，可能会引起Crowbar电阻烧毁、转子侧模块爆炸、直流保险烧毁的风险。由于直流保险的短路保护作用，网侧模块得到保护。

主断路器“静态合闸”或者“分闸不及时”的主要原因是断路器达到运行寿命后未能及时进行更换。风场风速变化频率较高，风速不稳定，致使风场风机频繁起停机，使得主断路器频繁动作，即使在维护保养很到位的情况下，动作次数在5年内便会达到寿命值，必须进行强制更换。另外在寿命期内，假如维护保养不到位，机械动作频繁，也容易出现上述故障。

加装并网接触器后，并网接触器位于主断路器下方。其中，主断路器起到分断故障电流的作用，并网接触器起到正常并网、脱网的作用。如图2所示。

其中KM10为后期加装的并网接触器，位于主断路器与发电机定子侧之间。

图1 加装并网接触器前变流器原理图

3 并网接触器的优点

由于无并网接触器的变流器会出现主断路器“静态合闸”或者“分闸不及时”的现象，可能导致风机不同程度的故障，且风场风机频繁起停机，使得主断路器频繁动作，因此加装并网接触器取代主断路器的功能，一方面使主断路器的动作次数减少，另一方面可以减少主断路器的维护次数，以保证主断路器能够使用更长的时间，为风机长期稳定的运行保驾护航，避免发生其他的衍生故障。

图2 加装并网接触器后变流器原理图

采用并网接触器作为并网开关的优点如下：

（1）解决了主断路器的寿命问题：据统计，带并网接触器的变流器的主断路器每年的动作次数只有300次左右，从理论上讲，风机运行20年内不会因主断路器动作次数到寿命而强制更换。

（2）减少了主断路器保养成本，降低了主断路器的故障率：加装并网接触器后，主断路器动作次数大幅降低，也会节省一定的主断路器维护费用，以保证风机能够稳定运行，有效减少了主断路器损坏引起的衍生故障。

（3）降低了重大故障发生的概率：主断路器的动作次数减少了，保护功能就得到了加强，故障时分断能力得到了保障，避免发生更大的故障。

（4）采用并网接触器作为并网开关在短路等极端情况下使保护功能得以加强。采用主断路器作为并网开关的变流器系统，电网直接接到主断路器，主断路器再接到发电机定子侧。采用并网接触器作为并网开关的变流器系统，电网首先接到主断路器，主断路器下侧接到并网接触器，再用并网接触器接到发电机定子侧，如果突然发生主断路器动作失效或电机侧短路等故障时，变流器侧可以有两级保护动作，使发电机与电网断开连接，从而控制故障范围，防止其他元器件的损坏。

4 风机现场存在的缺陷及解决途径

4.1 某风场存在的缺陷实例

某风场机组于2010年初投产运行，主要分为750kW定桨距和1500kW变桨距两种不同型号的机组，且均为双馈式发电机。其中1500kW变桨距机组配置有变流器，由于该风场投产时间较早，而在当时整机厂家购买变流器时，变流器的并网柜内并没有配置并网接触器，定子与电网的分合全部由主断路器动作，因此一直把主断路器作为并网开关使用，这必然会引起较高的动作频率和机械磨损，造成主断路器的工作强度不断增大，严重影响其使用寿命。

4.2 寻找解决途径

在风机技术日新月异的发展过程中，通过已投产变流器反馈出来的故障信息可以看到，由于现场风况变化较快，主断路器不断动作，加大了主断路器损坏的概率，其动作次数超出了在一般应用场合的数值，减少了其使用寿命，加大了故障风险。主断路器市场单价在4万元左右，长期损坏主断路器会加大我们的运维成本。但如果在主断路器下侧加装并网接触器，将主断路器动作并网发电的方式改为由并网接触器的吸合来并网发电，是不是可以减少主断路器的动作次数呢？如果找到合适的并网接触器加入到并网柜内，并对相关电气接线作出相应的调整，将控制软件程序进行系统升级，则可以大大增大主断路器的使用寿命，减少公司的运维成本。

5 具体技改方案

在风机变流器内加装并网接触器，我们需要对并网柜的硬件和软件两方面同时进行改造。

5.1 硬件方面

在主断路器和发电机定子侧之间增加并网接触器，并对柜内一些相关部件布局进行适当调整。

修改控制逻辑，增加继电器，改变部分接线；使正常情况下用并网接触器来分断负载电流，主断路器不动作；主断路器只有在故障情况下或超出并网接触器工作电流的时候才动作，此时主断路器优于并网接触器动作，及时切出故障，以保护接触器和变流器。

5.2 软件方面

分别对控制柜内网侧模块控制板和转子侧模块控制板进行软件程序升级，使各控制板与并网接触器完美配合。

6 并网接触器在变流器改造中的应用效果

截止目前，该风场的53台1500kW风机变流器已全部完成并网接触器的加装工作。其中39台ABB变流器早于2011年12月全部加装完成，14台艾默生变流器也已于2017年9月全部加装完成。

原始设计主断路器动作的电气寿命约为8000次左右，按照主断路器的市场单价为4万元/台计算，其动作一次的费用大概为5元/次。据现场实际运行情况统计，在加装并网接触器前，单台主断路器的每年动作次数大概为2500次/年，主断路器寿命预计为3—5年；在加装完成之后，单台主断路器的每年动作次数可以减少到200次/年左右，大约可以工作20年以上。

从经济性上来看，每台主断路器一年可以减少2300次/年的动作次数，折合人民币11500元，也就是说加装并网接触器后每台风机每年可以节省11500元的备件维修费用。按照风机寿命20年来计算，单台风机在其寿命期内一共可以节省23万元的主断路器费用。以该风场为例，53台风机在20年的寿命期内共计可以节省1219万元！

在加装前后的故障率方面，还是以该风场为例，在2011年12月到2017年9月期间，39台完成改造的ABB变流器累计更换主断路器7个，主断路器故障率为17.95%；而14台未改造的艾默生变流器累计更换主断路器8个，故障率为57.14%。通过长时间的现场运行对比，可以明显看出加装并网接触器后主断路器的故障率大幅度降低。

表1 加装并网接触器前后各项数据对比

7 结论

从该风场改造后的应用效果来看，无论是在故障率、经济性或是安全性上，并网接触器在变流器内都发挥着非常重要的作用，是不可或缺的配件！

在风力发电行业不断发展的今天，风力发电技术也在不断创新，整机厂家会根据当今的行业需求，不断更新产品硬件和软件系统，变流器中加装并网接触器便是技术更新的一个例子。变流器内部采用接触器作为并网开关，已经成为变流器整机厂家出厂时的标配，为风力发电机持续安全、稳定运行发挥着重要作用。