一种新型偏航集电环产品的综合分析

【摘要】本文对比了风力发电机组中用于电力传输的两种技术方案：扭缆和偏航集电环。扭缆因其技术原理简单、维护点少而被广泛接受，但存在解缆动作导致的发电量损失、绝缘层磨损、散热不良等问题。偏航集电环作为一种新型解决方案，具有免解缆、设备价格低、体积小、适用于新旧机组改造等优势，能够提升机组运行可靠性和经济性。集电环产品通过监控关键参数、远程监控等方式降低运维工作量，同时提高风机整体可靠性。此外，集电环还具有良好的机组适配性，适用于多种主流技术路线的发电机组。

【关键词】风力发电机组;扭缆; 偏航集电环;电力传输;可靠性; 经济性;机组适配性

1.前言

风力发电机组可根据来风方向调整机舱部件的水平旋转角度，但塔架部件因其固定于基础之上不可旋转，且风力发电机组运行时机舱部件需持续与风向保持一致，机舱部件与塔架部件间需设置有可适应不定时、非定向状态下的输电设备。偏航集电环产品安装在风电机组的塔筒顶部，上端连接机舱内发电机出线电缆，下端连接塔筒电缆/风电管型母线。

2.电缆方案

2.1针对上节中提到的电力传输特性，此前行业内解决方案为采用柔软型绝缘层的特制电缆组件（下文称之为“扭缆”）。

2.2扭缆产品劣势如下：

2.2.1在技术原理上存在一定缺陷，即在一定偏航角度范围内可完成传输电能的任务，超过此角度区间后，需要风机停机并反方向偏航以解开扭缆，在此期间停机会损失一定发电量。

2.2.2因扭缆不定时扭转挤靠在一起，不同扭缆的外绝缘层相互摩擦，导致绝缘层减薄并产生粉末状碎屑，绝缘水平下降。

2.2.3极端条件下，当风机偏航至接近解缆角度时，且此时风机正处于满发或超发状态下。因各相扭缆已扭紧至一起，大电流情况下散热空间极小，此时易产生发热现象。

2.2.4在如今机组容量、电流、电压不断增大的趋势下，扭缆所需截面投影面积不断增大，但塔筒平面截面积不断减小，扭缆不易布置。

2.3扭缆产品优势如下：

2.3.1技术原理简单，结构简单，维护点少。

2.3.2产品应用较早，客户接受度高。

2.4扭缆材料成本（以某主机厂2.0MW双馈机型为例）：七万余元

2.5扭缆产品解缆期间损失发电量（以山东省某风电场2.0MW直驱机组为例）： 执行解缆角度为356°，单次解缆时间为16min，全年解缆动作次数为78次，按单机1MW计算，全年因解缆累计损失电量为20800kW·h，折算金额约9360元(按照0.45元/度)。以50MW风场计算，则全年全场折算为46800元。

3.偏航集电环方案

3.1针对风电机组偏航工况开发一种适用于微动、半静态工况的偏航集电环产品。

3.2偏航集电环产品优势如下：

3.2.1技术原理先进，可实现产品全寿命周期内免解缆动作（需主机厂家配合），可提升年平均发电量。

3.2.2设备价格低，以2.0MW双馈机组为例，设备价格约为六万余元。

3.2.4 本体重量小于280kg，体积小于φ800mm*h500mm，可适用于新建机组和旧有机组改造工程。如图3.2.4 

图3.2.4

3.2.5同相环道端子均布，对于不均流情况具有明显改善。如图3.2.5

图3.2.5

3.2.6触指与环道切线方向呈一定角度排列，区分正反方向，适应风机顺时针、逆时针方向的偏航动作。

3.2.7可选配通讯滑环，解决通讯线缆、控制线缆的旋转传输痛点，可与大电流集电环集成。

3.2.8全部材料为阻燃材料，杜绝过火隐患。

3.3偏航集电环产品劣势如下：

3.3.1旧有机组改造需现场测量、评估塔筒承重件性能。

3.3.2集电环两端接线处仍采用栓接形式。

3.3.3旧有机组安装集电环后会占用偏航平台空间。

4.偏航集电环技改优势

4.1提升机组运行可靠性

4.1.1可解决扭缆长期运行后产生的发热问题。

4.1.2可解决扭缆因长期运行、扭摆而产生的失火隐患，防止事故隐患，杜绝造成严重事故。

4.1.3可降低因解缆动作而造成的偏航系统的部件损耗（如偏航电机、偏航刹车片等），提高偏航系统整体运行寿命。

4.1.4偏航集电环设置多个关键参数监控（如温度、烟雾浓度等），超过设定阈值自动告警。可利用物联网技术远程监控，降低运维工作量。

4.1.5可解决通讯电缆因长时间扭转造成的信号丢包等情况，提升风机整体可靠性。

4.1.6取消解缆后（需主机厂配合）可取消解缆角度监测部件，减少可能存在的故障点，减少备件数量，降低运维人员工作量。

4.2提升机组运行经济性

5.2.1可屏蔽风机解缆程序（需主机厂配合），提升风机年可利用小时数。每年可提升一定发电量。

5.2.2可降低购买此段扭缆的材料成本。

5.2.3偏航集电环投运后中长期经济效益显著。

4.3机组适配性好

针对主流技术路线发电机组如直驱单绕组、直驱双绕组、双馈、鼠笼式发电机等均可应用适配偏航集电环。

六、小结

上文针对电缆产品与偏航集电环产品进行了简单比对。扭缆产品结构简单，但缺陷也相对明显。偏航集电环产品结构复杂度有所提升，但可解决扭缆产品缺陷。偏航集电环产品真正适配了风机偏航动作下的微动、半静态运行工况；主电流环道布局合理；可选配通讯滑环，可实现真正意义上的免解缆。

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