风电厂主要电力设备管理

随着世界能源格局的转变,不可再生资源面临着枯竭的危险,同时各国对火电厂节能减排的要求日益严格,能源短缺现象日趋严重,风电、生物质发电等可再生资源的发展遇到了前所未有的机遇。为此,各国政府及相应的研究机构投入大量的财力、人力,致力于高价值的可再生资源研发及利用,风能利用技术是可再生能源中利用效率、技术成熟度、可开发量中最高之一。截止到2019年底,风电累计装机容量排前5的国家依次是中国、美国、德国、印度和西班牙,分别是221GW、96.4GW、59.3GW、35GW、23GW。

风力发电是国民经济的基础之一,风力发电的主要设备是风电行业运行基础,决定着我国风电行业的发展。本文分别对风电厂中风力发电机组、箱式变压器、输电线路、主变压器以及配套的控制设备、无功补偿设备等主要电力设备的工作原理、运行过程中的高频发生问题、问题的解决策略等进行了介绍,能对风电行业的运行管理人员提供一定的借鉴。

1 风力发电机组的运行与管理

1.1 风力发电机组的结构

风力发电是利用风轮带动发电机将风能转变成电能的发电设备,主要由风轮、对风装置、调速装置、传动装置、塔架等设备组成;风轮是捕捉和吸收风能并将风能转变成机械能的装置;由于风向不断变化,对风装置具有跟踪风向、不断修正风轮与来流风速,使发电量达到最大的装置;为了防止风力发电机组的毁坏或寿命降低,风轮的转速需要进行调速机构的限制,使风轮维持在稳定的转速范围内;风力发电机的传动装置利用液力机械的传动装置将发电机与液力机械通过输出轴进行连接,实现机械能转变成电能;塔架是整个风力发电机发电组的支撑基础,承接着风轮、齿轮箱等主要设备的重量。

1.2 风力发电机组运行的常见问题

风力发电机风轮主要由叶片、叶柄、轮毂和风轮轴组成,叶片在极端天气时易产生挥舞、摆振、气态失稳等现象,长期运行的风力发电机叶片根部易造成树脂老化,叶片强度、刚度降低,风速超过极限风速时易使叶片折断。风力发电机的对风装置和调速装置经过长期运行或经常在极端天气下运行,对风装置精度将会发生降低,促使风力发电机发电效率降低;风力发电机调速装置失灵后,当遇到极端风速,促使风力发电机速度急剧增加,发电量发生变化,风速超过设计速度时易发生风力发电机叶轮扭断、传动装置易出现变矩器工作不正常、油温偏高、液力传动装置工作不可靠等。风力发电机塔架的主要损坏原因多数是地震、强风等极端天气造成倒塌现象和长时间的风致疲劳,风载的长期作用会使风力发电机塔架因疲劳损伤的累积而引起结构发生屈服破坏。

1.3 风力发电机组维护方式

风力发电机组在极端天气下运行时易造成叶轮过速、叶片损坏、结冰等现象出现,此时维修人员不应就地操作,需通知运行人员进行远程停机后,设立安全区域才可进行维修操作。风力发电机调速装置发生故障时易出现超速运行,造成机组起火,此时应立即停机并断开该台机组的线路断路器,同时报警。对传动装置维护时需对液压回路进行泄压。当风力发电机在遭受极端天气后,需对塔架、叶片、变桨系统进行检查。

2 变压器及输电线路的运行及维护

2.1 变压器及输电线的结构

风力发电厂的变压器可实现电压变换、电能输送、不同电压等级负荷调节的设备,风电厂常用变压器为三相油浸式变压器,其绕组导体材质分为铜、铝两种绕组,由于铜绕组具有低损耗特性,所以风电厂变压器常为铜绕组式变压器。输电线路是连接发电机、变压器、电网、用户固定在输送电塔上的金属线,现有的高压输电线多以同轴布置方式,即输电线中心为机械强度较高的钢线,外周为导电率较高的硬铝绞线,为了降低输电线单位距离的造价、同时增加档距,通常采用钢芯铝绞线,现有的钢芯铝绞线主要有正常型(LGJ)、加强型(LGJJ)、轻型(LGJQ)。

2.2 变压器及输电线问题及对策

风电机组变压器损坏的主要包括电、热、电气元件三方面因素,电的方面造成的损坏是电负荷变化、过载电压、低压穿越,热的方面造成的损坏主要是变压器局部过热、电流过载、变压器油生气。为了防止变压器出现电损坏,主要是控制变压器升压、降压端的电压保持稳定,如果线圈与铁心的绝缘层有损坏,造成的泄漏电流超标,发生击穿现象。变压器过热性故障主要是磁路、电路过热以及散热效果不佳,因此需要对变压器定期进行检查,防止出现电、热问题。

输电导线长期运行在室外,易受到各种极端天气变化的影响,经常受到大风、覆冰后导线舞动、湿空气下的化学杂质的侵蚀,而针对于上述的问题,常用的解决方式是促使导线具有足够的机械强度和防腐性能。通常为了防止输电线发生舞动、震荡情况出现,常在输电线安装防震锤、护线条、阻尼线、铝包带等。而为了防止输电线交叉,发生短路、冒火花现象,常将同向输电线上安装有间隔棒、均压环、屏蔽环等。

3 无功补偿设备的运行及维护

无功补偿设备的结构。无功补偿设备对风力发电机组的可靠性运行具有举足轻重的地位,无功补偿设备的使用可提高并网发电效率及整个发电厂的经济性。风力发电机在运行时需要从电网系统获得等量的无功功率才可使发电机向外输出电能,常规的无功电流通过电网或者电容进行补充,然而无功电流通过电网提供时,迫使电网功率因数下降、功损增加,造成电网电压降低较明显,供电网络崩溃。因此,为了防止对电网进行冲击,无功补偿设备常采用电容器为异步发电机提供发电时所需的无功功率。

无功补偿设备的常见故障及解决措施。无功补偿控制器是由各类电力参数测量及控制的仪器,因此,电子仪器、仪表所易出现的故障在无功补偿器设备中也易出现,比如显示、调整、接线方式等。常见的有:控制器有显示,但自动运行时不能自动投切电容器组,解决的方式是补偿装置取样电流大于控制器的欠流门限值,电流互感器变比、电容器容量设置不正确、接线错误等。无功补偿控制器投切回路指示灯有投入指示,但所切换接触器未做吸合动作。主要原因可能是电回路接触器已损坏或者未接通,热继电器已损坏。

4 结语

随着不可再生资源的短缺及新能源技术的崛起,风力发电对新技术的不断被重视,风力发电设备的运行、维护上的主要问题已成为常态化的解决内容。但目前我国对风电厂各类电力设备的解决方式的还处于探索阶段,只有在这个时候做好充分的准备,才能保证电力设备的安全、高效的运行。