變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及電氣系統(tǒng)中運(yùn)用分析

中國(guó)三峽新能源(集團(tuán))股份有限公司陜西分公司 李 朋 程振飛 銅川市峽光新能源發(fā)電有限公司 趙紅偉

變頻技術(shù)的引入能夠有效調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的運(yùn)行速度，適應(yīng)風(fēng)速的變化，從而提高了風(fēng)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和穩(wěn)定性。電氣系統(tǒng)作為風(fēng)電機(jī)組的核心部分，其設(shè)計(jì)和運(yùn)行的可靠性直接影響到風(fēng)力發(fā)電的安全和高效。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，變頻技術(shù)在風(fēng)電領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，本文將分析變頻技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組及其電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，探討其在提升風(fēng)電性能方面的作用。

1 變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中的應(yīng)用分析

1.1 變頻器在風(fēng)電機(jī)組中的優(yōu)化實(shí)踐

本單位風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用變頻技術(shù)的背景：本單位風(fēng)電機(jī)組在引入變頻器后，對(duì)原有的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了全面優(yōu)化。案例中的風(fēng)電機(jī)組原先直接通過恒速系統(tǒng)連接至電網(wǎng)，受限于風(fēng)速變化發(fā)電效率較低。引入變頻器后，風(fēng)電機(jī)組能夠在風(fēng)速變化時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整葉片轉(zhuǎn)速，使其盡量運(yùn)行在最佳葉尖速比上，以提高能量捕獲性能[1]。

變頻器選型及其對(duì)發(fā)電效率的提升：選型過程中，本單位依據(jù)風(fēng)電機(jī)組的額定功率、電網(wǎng)頻率以及電壓等級(jí)選擇了適配的變頻器。變頻器選型過程依靠的技術(shù)原理為：P選型=P額定×（1+μ），式中：P選型表示變頻器的選型功率，P額定表示風(fēng)電機(jī)組的額定功率，μ表示預(yù)留的功率余量系數(shù)，在實(shí)踐應(yīng)用中μ的取值為10%。一般來說，引入變頻器后風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率會(huì)發(fā)生變化，之前的效率以n原表示，之后的效率以n新表示，效率變化的過程以公式表示為：n提升=（n新-n原）/n原×100%。

實(shí)際運(yùn)行中的能效分析與數(shù)據(jù)記錄：本單位的風(fēng)電機(jī)組在應(yīng)用變頻技術(shù)后，在不同風(fēng)速條件下，發(fā)電量的變化情況如表1所示（表中優(yōu)化前、后發(fā)電量對(duì)比未寫明時(shí)間范圍），從中可以看到，引入變頻技術(shù)后，在各風(fēng)速下的發(fā)電量均有所提升，在低風(fēng)速下發(fā)電量的提升尤為顯著。該結(jié)果證明了變頻技術(shù)在提升低風(fēng)速下發(fā)電效率方面的重要作用。此外，變頻器的調(diào)節(jié)作用還對(duì)高風(fēng)速下的發(fā)電穩(wěn)定性有顯著貢獻(xiàn)，從而保證了風(fēng)電機(jī)組的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 本單位風(fēng)電機(jī)組應(yīng)用變頻技術(shù)前后不同風(fēng)速下發(fā)電量變化情況

1.2 變頻技術(shù)解決的技術(shù)難題

風(fēng)速的波動(dòng)是風(fēng)電發(fā)電中的關(guān)鍵變量，對(duì)風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電效率有著直接的影響。在變頻器未應(yīng)用于風(fēng)電機(jī)組時(shí)，風(fēng)速的任何非線性變化都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率遠(yuǎn)離最優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的恒速風(fēng)電機(jī)組無(wú)法適應(yīng)風(fēng)速的快速變化，造成功率損失，尤其在風(fēng)速遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)更加明顯[2]。

本單位采用的變頻技術(shù)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)風(fēng)速并動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電效率的最大化。調(diào)節(jié)作用具體表現(xiàn)在對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的精細(xì)控制方面，能夠使發(fā)電機(jī)匹配當(dāng)前風(fēng)速下的最佳工作點(diǎn)。具體而言，當(dāng)風(fēng)速低于額定風(fēng)速時(shí)，變頻器可以提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速以提高發(fā)電效率，當(dāng)風(fēng)速高于額定風(fēng)速時(shí)，變頻器可以降低發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，避免因風(fēng)能過大而對(duì)設(shè)備造成損壞。如表2所示為本單位某發(fā)電機(jī)組在引入變頻技術(shù)前后，在不同風(fēng)速下的發(fā)電功率變化情況及發(fā)電效率提升情況。

表2 變頻技術(shù)應(yīng)用前后風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率變化情況

根據(jù)表2所述結(jié)果可知，在風(fēng)速為6m/s 時(shí)，通過變頻器調(diào)節(jié)后發(fā)電功率從150kW 提升至180kW，發(fā)電效率提升了20.00%；風(fēng)速為12m/s 時(shí)，發(fā)電功率提升了10.00%；而在風(fēng)速為18m/s 時(shí)，發(fā)電效率的提升相對(duì)較小，僅為2.50%。這體現(xiàn)了變頻技術(shù)在低風(fēng)速和中風(fēng)速區(qū)間調(diào)節(jié)作用最為明顯，而在高風(fēng)速區(qū)間由于接近機(jī)組自身的物理極限，調(diào)節(jié)作用相對(duì)減弱。

總體來說，通過變頻器的應(yīng)用，本單位實(shí)現(xiàn)了在風(fēng)速波動(dòng)較大的自然條件下，風(fēng)電機(jī)組能夠更加穩(wěn)定地運(yùn)行在高效區(qū)，此舉顯著提升了發(fā)電效率并減少了能量損失。這種技術(shù)的優(yōu)化，對(duì)于提升整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益和運(yùn)行穩(wěn)定性起到了至關(guān)重要的作用[3]。

高風(fēng)速下變頻技術(shù)在保護(hù)風(fēng)電機(jī)組中的作用及分析：在高風(fēng)速條件下，未使用變頻技術(shù)的風(fēng)電機(jī)組很容易受到損壞。本單位通過變頻技術(shù)有效地保護(hù)了風(fēng)電機(jī)組。變頻器可以限制發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，防止在高風(fēng)速時(shí)機(jī)組超速運(yùn)行。表3記錄了引入變頻技術(shù)前后風(fēng)電機(jī)組在極端風(fēng)速條件下的保護(hù)情況。從中可以看到，變頻技術(shù)顯著減少了高風(fēng)速下的故障次數(shù)，保證了風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，變頻技術(shù)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械磨損和疲勞，延長(zhǎng)其使用壽命。因此，變頻技術(shù)不僅解決了風(fēng)速變化帶來的技術(shù)難題，而且提高了整個(gè)風(fēng)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

表3 變頻技術(shù)應(yīng)用前后高風(fēng)速下風(fēng)電機(jī)組故障發(fā)生情況對(duì)比

2 變頻技術(shù)在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 變頻技術(shù)與風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)整合

2.1.1 變頻技術(shù)在電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的考量

本單位在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮了變頻技術(shù)的集成和優(yōu)化。在設(shè)計(jì)階段，首先評(píng)估了變頻器對(duì)于電氣系統(tǒng)的適配性，包括其與發(fā)電機(jī)的電氣參數(shù)匹配，如電壓、頻率、功率、效率、絕緣等級(jí)等，同時(shí)確保了變頻器能夠承受風(fēng)電機(jī)組在各種工作狀態(tài)下的電氣負(fù)荷。電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還顧及了變頻器的熱管理和散熱需求，確保在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中維持其性能與壽命。變頻器的選擇基于其效率曲線與風(fēng)電機(jī)組的功率特性相結(jié)合的分析[4]。例如，一臺(tái)額定功率為2MW 的風(fēng)電機(jī)組，變頻器功率配置在2.2MW 時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)效率最大化，同時(shí)可適應(yīng)風(fēng)速變化造成的額定功率工況運(yùn)行下的波動(dòng)。

2.1.2 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的變頻應(yīng)用架構(gòu)

本單位風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的核心是變頻應(yīng)用架構(gòu)。該架構(gòu)包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)、變頻器、控制系統(tǒng)和并網(wǎng)設(shè)備。在整個(gè)系統(tǒng)中，變頻器連接在發(fā)電機(jī)與并網(wǎng)接口之間，起到轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)作用。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的交流電首先被變頻器轉(zhuǎn)換為直流電，之后通過逆變器轉(zhuǎn)換回交流電，以滿足電網(wǎng)的頻率和電壓要求。本單位應(yīng)用的架構(gòu)還包含了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)變頻器的運(yùn)行，確保電氣系統(tǒng)響應(yīng)風(fēng)速變化的同時(shí)保持電網(wǎng)穩(wěn)定性。控制系統(tǒng)的算法基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和變頻器的輸出以實(shí)現(xiàn)最佳的發(fā)電效率。

2.1.3 變頻技術(shù)對(duì)電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升

變頻技術(shù)對(duì)于提升風(fēng)力發(fā)電機(jī)組電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。通過變頻調(diào)節(jié)，發(fā)電機(jī)的輸出可以與電網(wǎng)的需求實(shí)現(xiàn)精細(xì)匹配，避免了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和頻率波動(dòng)，從而維護(hù)了電網(wǎng)的穩(wěn)定性。如，本單位日常監(jiān)測(cè)到的場(chǎng)景：在風(fēng)速突然增加時(shí)，未使用變頻技術(shù)的發(fā)電機(jī)組可能會(huì)產(chǎn)生瞬間功率峰值，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)頻率的短時(shí)波動(dòng)，應(yīng)用變頻技術(shù)的發(fā)電機(jī)組能夠平滑這種功率波動(dòng)。

具體解決策略是設(shè)定一個(gè)“電氣系統(tǒng)穩(wěn)定性系數(shù)”，表達(dá)式為：T=Δf最大/P額定，式中：Δf最大表示未使用變頻技術(shù)時(shí)電網(wǎng)頻率的最大波動(dòng)范圍；P額定表示風(fēng)電機(jī)組的額定功率。通過引入變頻技術(shù)，測(cè)得Δf最大顯著減小，穩(wěn)定性系數(shù)T由引入前的0.8%降低到了0.1%。此外，變頻技術(shù)還允許在電氣系統(tǒng)中實(shí)施低電壓穿越（LVRT）和高電壓穿越（HVRT）策略，這些是現(xiàn)代風(fēng)電場(chǎng)必須具備的技術(shù)要求，以應(yīng)對(duì)電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓波動(dòng)問題。綜合以上分析，變頻技術(shù)的實(shí)施不僅提高了風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電效率，而且還極大地增強(qiáng)了電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，為風(fēng)電健康發(fā)展和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的技術(shù)支撐[5]。

2.2 變頻技術(shù)在提高電能質(zhì)量中的作用

變頻技術(shù)對(duì)電壓和頻率控制的影響。本單位通過引入變頻技術(shù)，有效地提升了電氣系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，尤其在電壓和頻率控制方面。變頻器能夠確保電壓和頻率的穩(wěn)定輸出，響應(yīng)電網(wǎng)的即時(shí)需求和風(fēng)速的變化。變頻器的控制算法經(jīng)過優(yōu)化，使得輸出電壓的波動(dòng)維持在 ±0.5%的范圍內(nèi)，頻率穩(wěn)定性也得到了相應(yīng)提高，穩(wěn)定在 50Hz±0.1Hz 的窄帶內(nèi)。電壓穩(wěn)定性的提升減少了對(duì)電網(wǎng)和終端設(shè)備的損害，降低了維護(hù)成本。頻率的精確控制則保障了與電網(wǎng)的同步，避免了諧波和不對(duì)稱負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的影響。本單位實(shí)施的變頻技術(shù)通過動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，確保了電能輸出的高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

變頻技術(shù)在減少電能損耗中的具體應(yīng)用。在電能損耗的管理上，本單位利用變頻技術(shù)優(yōu)化了發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行模式。傳統(tǒng)的固定轉(zhuǎn)速發(fā)電機(jī)在風(fēng)速低于或超過額定值時(shí)效率顯著下降，而變頻技術(shù)通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速使其始終在最佳工作點(diǎn)運(yùn)行。該技術(shù)減少了因轉(zhuǎn)速不匹配導(dǎo)致的能量損耗，提高了整體系統(tǒng)效率。如通過實(shí)施變頻技術(shù)后，發(fā)電機(jī)在低風(fēng)速時(shí)的轉(zhuǎn)速由固定的1500rpm 調(diào)整至1300～1500rpm 的變速范圍，從而降低了風(fēng)力損耗和機(jī)械損耗。計(jì)算表明，轉(zhuǎn)速的優(yōu)化使得發(fā)電效率提高了大約5%，這意味著相同的風(fēng)能輸入電能輸出增加了5%。

電能質(zhì)量改進(jìn)前后的對(duì)比數(shù)據(jù)分析。本單位對(duì)變頻技術(shù)引入前后的電能質(zhì)量進(jìn)行了詳盡的數(shù)據(jù)分析。變頻技術(shù)應(yīng)用前，發(fā)電機(jī)組的電能波動(dòng)率為4%，而應(yīng)用變頻技術(shù)后波動(dòng)率下降至1%。此外，電能損耗率從原來的10%降至目前的7%。具體來說，變頻技術(shù)實(shí)施前后的功率因數(shù)對(duì)比從0.85提高到0.95，這表明了電能利用率的提高。同時(shí)諧波總畸變率（THD）從10%降至5%以下，顯著減少了對(duì)電網(wǎng)的污染。此外，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性通過減少設(shè)備的過載運(yùn)行次數(shù)從而得到了加強(qiáng)，過載次數(shù)由每月平均2次減少到0.2次。

2.3 變頻技術(shù)在故障檢測(cè)與處理中的應(yīng)用

本單位在運(yùn)行中深入探索了變頻技術(shù)在故障檢測(cè)及處理方面的功效。變頻器內(nèi)置的微處理器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，通過精確的數(shù)據(jù)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常波動(dòng)和潛在的故障征兆。變頻技術(shù)使得電機(jī)的電流、電壓、溫度和振動(dòng)等關(guān)鍵參數(shù)得以實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)這些參數(shù)超出正常工作范圍時(shí)，變頻器能夠自動(dòng)調(diào)整或發(fā)送警報(bào)[6]。

如本單位監(jiān)測(cè)到某發(fā)電機(jī)組輸出電壓波動(dòng)超過±10%，變頻器即刻判斷為不正常波動(dòng)并啟動(dòng)故障保護(hù)程序，通過降低輸出頻率來嘗試恢復(fù)正常電壓水平。若調(diào)整未能成功，變頻器則會(huì)斷開該發(fā)電機(jī)的輸出，防止故障擴(kuò)散至整個(gè)電網(wǎng)。在實(shí)施變頻技術(shù)后，發(fā)電機(jī)組的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間（MTBF）由原來的800h 提升至1200h。通過對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，變頻技術(shù)的應(yīng)用使得電機(jī)故障率下降了30%，大幅減少了因故障導(dǎo)致的維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。此外變頻技術(shù)還實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的前瞻性維護(hù)，通過對(duì)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的深度分析，本單位可以提前預(yù)測(cè)并安排維護(hù)，避免了突發(fā)性故障的發(fā)生，有力地保護(hù)了風(fēng)電機(jī)組的安全。

綜上所述，未來隨著變頻技術(shù)的不斷成熟和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的性能和電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性有望得到進(jìn)一步的提升，為全球能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。