淺談風(fēng)電場無功補償冷卻方式對設(shè)備可靠性的影響

【摘要】隨著風(fēng)電技術(shù)的日臻成熟，風(fēng)力發(fā)電憑借其獨有的優(yōu)勢，成為非化石燃料發(fā)電的重要來源。風(fēng)電規(guī)模逐步擴大和風(fēng)電裝機容量在電網(wǎng)中的比例的逐漸增加，對風(fēng)能的開發(fā)和利用得到了包括電網(wǎng)、電科院、各發(fā)電企業(yè)等越來越多的關(guān)注和重視，與風(fēng)電相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在迅猛發(fā)展。但困難與希望同在，挑戰(zhàn)與機遇并存，風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)對電網(wǎng)穩(wěn)定性、電能質(zhì)量的影響也越來越突出，而風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置在維持并網(wǎng)點電壓平衡、保持局域電網(wǎng)暫態(tài)平衡、改善電能質(zhì)量、提升經(jīng)濟性方面有著不可或缺的作用，其可靠性、重要性不言而喻。本文通過對風(fēng)電場無功補償裝置本體冷卻方式進行分析、比較，提出風(fēng)電場無功補償冷卻方式選型的建議，從而保證風(fēng)電場無功補償設(shè)備的可靠運行，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定，提升風(fēng)電場電能質(zhì)量和經(jīng)濟效益?！娟P(guān)鍵詞】無功補償SVG冷卻選型1.引言截至到2019年年底，中國風(fēng)電累計裝機容量已經(jīng)突破21005萬kW，占電網(wǎng)總裝機容量的10.4%。隨著風(fēng)電裝機規(guī)模和所占比重不斷增長，加上風(fēng)電負荷的間隙性、時效性及所處電網(wǎng)架構(gòu)末端等特點，使得風(fēng)電場接入系統(tǒng)后對電網(wǎng)的影響也日益嚴重，主要表現(xiàn)在無功電壓控制問題、系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、諧波、發(fā)電能力及經(jīng)濟性等方面問題。為了補償電網(wǎng)中的無功和諧波，提高電網(wǎng)運行的安全性和可靠性，為用戶提供一個良好的用電環(huán)境，風(fēng)電場無功補償裝置顯得尤為重要；風(fēng)電場無功補償裝置在經(jīng)歷了固定補償、靜止型無功補償器（SVC）之后，靜止型無功補償發(fā)生器（SVG）已經(jīng)成為主流設(shè)備，電網(wǎng)、各風(fēng)電企業(yè)對其可靠性要求也越來越高、考核越來越嚴格，通過分析風(fēng)電場不同冷卻方式的無功補償裝置運行工況，指出無功補償裝置不同的冷卻方式對設(shè)備可靠性、經(jīng)濟性的影響，為后續(xù)風(fēng)電場無功補償裝置冷卻方式的選型和改造提供參考。2.風(fēng)電場配置無功補償設(shè)備必要性2.1風(fēng)電場典型無功補償主接線圖風(fēng)電場電氣主接線一般有風(fēng)機、箱變、架空線路、母線、無功補償裝置、互感器、站用變、備用變、主變、送出線等感性設(shè)備組成，如下圖：2.2風(fēng)電場無功補償裝置的作用（1）風(fēng)電場一般地處偏遠，建設(shè)在電網(wǎng)末端，就近上網(wǎng)，與電網(wǎng)連接結(jié)構(gòu)比較單一、薄弱，加上風(fēng)資源的間歇性和不確定性等特點，大規(guī)模風(fēng)電機組并網(wǎng)時會導(dǎo)致電網(wǎng)電壓下降，使風(fēng)電場及區(qū)域系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性變差，如果此時沒有足夠的容性無功投入，則可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，嚴重時會出現(xiàn)系統(tǒng)電壓崩潰現(xiàn)象；反之則電壓升高，需要投入足夠的感性無功，故需要風(fēng)電場有足夠容量和響應(yīng)速度的無功支撐來保證系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。如此規(guī)模的無功功率缺口，單靠電網(wǎng)的無功補償設(shè)備顯然“心有余而力不足”，風(fēng)電場本身必須具備無功補償?shù)哪芰蛯嵙?，這樣才能確保場網(wǎng)的安全，使區(qū)域電網(wǎng)電壓維持在一個相對穩(wěn)定的水平，風(fēng)機自身自身能夠連續(xù)、穩(wěn)定運行。（2）依據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T-19963）第7條要求風(fēng)電場無功容量應(yīng)按照分層、分區(qū)基本平衡的原則配置，風(fēng)電場只有配置相應(yīng)無功補償裝置才能夠補償集電線路、箱變、主變等無功功率損耗，提升功率因數(shù)、減少設(shè)備因無功功率流動的引起損耗、減少功率因素不達標(biāo)引起的考核，提升經(jīng)濟效益。（3）隨著大功率電子元器件的不斷地應(yīng)用，使得區(qū)域電網(wǎng)電能質(zhì)量逐漸惡化，在區(qū)域電網(wǎng)中存在大量的諧波分量，不僅影響供電質(zhì)量，還容易造成電力系統(tǒng)安全保護裝置誤動，甚至與系統(tǒng)發(fā)生諧振進而引發(fā)事故，在風(fēng)電場安裝無功補償裝置能夠有效改善電能質(zhì)量，尤其是近年大規(guī)模使用的SVG對于諧波分量畸變（波動和閃變）及三相不平衡的補償效果較為明顯。（4）目前大規(guī)模并網(wǎng)的雙饋、直驅(qū)風(fēng)電機組雖然有一定的無功補償能力，但是由于其自身容量有限，不能滿足全風(fēng)電場變壓器、線路的無功損耗，加上其響應(yīng)速度較慢，不能快速對所需的無功進行補償，只能參與補償，因此無法滿足電網(wǎng)對風(fēng)電場無功的要求，需要在風(fēng)電場配置滿足要求的無功補償裝置。（5）依據(jù)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》（GB/T-19963）第9條要求“風(fēng)電場并網(wǎng)點電壓跌至20％標(biāo)稱電壓時，風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機組應(yīng)保證不脫網(wǎng)連續(xù)運行625ms”。在閃變等特殊故障情況下，沒有無功補償支撐比有無功補償?shù)娘L(fēng)電場標(biāo)稱電壓跌落的更嚴重，存在風(fēng)機大規(guī)模脫網(wǎng)風(fēng)險，因此，風(fēng)電場無功補償裝置對于風(fēng)機連續(xù)運行至關(guān)重要。3.電網(wǎng)公司對無功補償運行要求（1）在經(jīng)歷2010年張北、甘肅風(fēng)電大規(guī)模脫網(wǎng)事件后，國網(wǎng)于2011年下發(fā)了《關(guān)于印發(fā)風(fēng)電并網(wǎng)運行反事故措施要點的通知》【2011】974號文要求，風(fēng)電場應(yīng)配置足夠容量的動態(tài)無功補償容量，且動態(tài)調(diào)節(jié)的響應(yīng)時間不大于30ms。（2）按照《華北區(qū)域風(fēng)電場并網(wǎng)運行管理實施細則》【2015】381號文第十二條規(guī)定“風(fēng)電場動態(tài)無功補償裝置應(yīng)投入自動運行，電力調(diào)度機構(gòu)按月統(tǒng)計各風(fēng)場動態(tài)無功補償裝置的月投入自動可用率，···動態(tài)無功補償補償裝置月投入自動可用率以95%為合格標(biāo)準(zhǔn)，低于95%的風(fēng)電場考核電量按照*風(fēng)電場當(dāng)月上網(wǎng)電量”。也就是說一個只有一套無功補償裝置的風(fēng)電場每月檢修、維護、保養(yǎng)等最多可以停運30*（1-95%）=1.5天（36小時），即從斷開無功補償高壓側(cè)開關(guān)開始計算，一直到設(shè)備恢復(fù)運行36小時（包含期間向調(diào)度匯報、故障分析、安全技術(shù)措施、檢查、檢修、編寫分析報告等時間）。4.目前風(fēng)電場無功補償裝置的運行現(xiàn)狀(1)根據(jù)山西省公布2019年1-11月份通報顯示，在山西并網(wǎng)超過6個月的風(fēng)電場SVG裝置故障率、臨停率合計高達12.20%，無功補償裝置總考核金額占全部雙細則考核金額的15.18%，若包含并網(wǎng)時間未超6個月的風(fēng)電場及其他原因免考等情況，平均1套SVG連續(xù)運行時間不超過4個月，運行可靠性較差。(2)風(fēng)電場地處偏遠，環(huán)境較為惡劣，上下班不方便，人員相對較為固定；以一個5萬千瓦的風(fēng)電場為例，一般標(biāo)準(zhǔn)配備運維人員15人左右，除去調(diào)休人員，風(fēng)場常住主業(yè)員工基本在10人左右，在場人員主要精力集中在巡檢、維護風(fēng)機上，其次集中在運行管理上，相對而言對無功補償裝置投入較少，專業(yè)人員培養(yǎng)、崗位設(shè)置均存在重視程度不足問題，故無功補償故障后基本依靠廠家提供技術(shù)維修服務(wù)；少部分風(fēng)電場具備根據(jù)無功補償監(jiān)控報警判斷出損壞部件，并對損壞部件更換；但對無功補償裝置故障后全面檢查、邏輯參數(shù)測試、大數(shù)據(jù)仿真分析、全面功率模塊測試等工作基本未開展。自行更換部件帶來的安全風(fēng)險、試運行的成功率及設(shè)備故障的深層次原因不能充分挖掘和有效的改進。(3)無功補償裝置備件大都是非標(biāo)準(zhǔn)件，市場上不常見，備件采購基本向原廠家采購，價格較高，一個風(fēng)電場基本不可能儲備所有備件，一般只儲存常用備件，如功率模塊、電源模塊、各種接頭、高速光纖等，故障后很大概率處于缺件狀態(tài)。(4)目前風(fēng)電場正在逐步向無人或少人值守、大集控運行方向過渡，現(xiàn)場人員逐步減少，大規(guī)模培養(yǎng)專業(yè)人員或在風(fēng)電場設(shè)置專責(zé)人員不符合各風(fēng)電公司實際情況。(5)按照《華北區(qū)域風(fēng)電場并網(wǎng)運行管理實施細則》【2015】381號文規(guī)定，一個只有一套無功補償裝置的風(fēng)電場每月檢修、維護、保養(yǎng)等最多可以停運36小時，扣除休息等不可用時間，可用時間最多也就是20小時，按照正常邏輯核算，只要無功補償發(fā)生異常故障，沒有專業(yè)的技術(shù)團隊、充足的備件和高效的調(diào)度協(xié)調(diào)能力，想要在20小時內(nèi)恢復(fù)基本不可能。綜上所述，提升風(fēng)電場無功補償裝置可靠性刻不容緩，但可靠性提升方向已經(jīng)從靠現(xiàn)場人員技術(shù)水平和能力向更穩(wěn)定可靠的設(shè)備，向多傳感器、大數(shù)據(jù)預(yù)知性消缺方向發(fā)展。5.不同無功補償裝置冷卻介質(zhì)選型對可靠性影響風(fēng)電場無功補償裝置在經(jīng)歷了電容器（電抗器）、SVC（MCR、TCR）之后，基本過渡到了響應(yīng)速度更快、功耗更小、布局靈活、諧波含量更低的SVG，下面就以市場主流的SVG為例，分析、對比不同冷卻介質(zhì)對其可靠性影響。（1）典型的SVG系統(tǒng)圖2）SVG實質(zhì)是以大功率電壓型逆變器為核心，通過調(diào)節(jié)逆變器輸出電壓幅值和相位，或者直接控制交流側(cè)電流的幅值和相位，迅速吸收或發(fā)出所需的無功功率，實現(xiàn)快速（<10ms）動態(tài)調(diào)節(jié)無功功率的目的。SVG裝置核心部分是單元模塊，單元模塊核心組件是大功率IGBT，同時IGBT也是單元模塊中發(fā)熱量最大的部分，某種意義上講SVG冷卻就是IGBT冷卻。下面以山西地區(qū)某公司4座風(fēng)電場2019年運行數(shù)據(jù)分析SVG工況：由上述運行記錄可知：①無論直掛式還是降壓式主流廠家SVG電氣、控制技術(shù)均比較成熟，對設(shè)備可靠性影響不大；②風(fēng)冷SVG故障率明顯高于密閉空調(diào)冷卻和水冷冷卻的SVG；③水冷或空調(diào)冷卻SVG因日常運行工況較好，企業(yè)為提升資金利用率，現(xiàn)場儲備備件較少；SVG廠家基本也不儲備水冷或空調(diào)備件，一旦發(fā)生故障需要走流程采購，恢復(fù)時間較長，電網(wǎng)考核金額也相對較大；④空調(diào)冷卻的SVG需要定期（一般不超過6個月）對空調(diào)進行維護保養(yǎng)，若維護保養(yǎng)不到位，不僅其壓縮機壽命縮短，冷卻功效也會大打折扣，一旦冷卻效果減弱，SVG故障率隨著上升；⑤風(fēng)冷SVG電子元器件運行工況明顯較差，主要體現(xiàn)在功率模塊、電源模塊、光纖爬電等，尤其在溫差較差大、風(fēng)沙大、負荷變化大、雨雪天氣故障概率明顯大于水冷或空調(diào)冷卻的SVG，而且一旦發(fā)生故障，損壞部件基本不可修復(fù)；⑥無論是風(fēng)冷、水冷還是空調(diào)冷卻，定期維護保養(yǎng)工作對設(shè)備可靠性影響較大，不同冷卻方式只是定期工作頻率、工作內(nèi)容和工作量大小問題，并不是一勞永逸；⑦合理儲備備件（最好聯(lián)合儲備）、配備相關(guān)測試工具、與調(diào)度部門保持良好的溝通是SVG故障后快速恢復(fù)運行的重要途徑。6、結(jié)束語目前國內(nèi)主流廠家的SVG技術(shù)相對成熟，報價基本按照冷卻系統(tǒng)的復(fù)雜程度由低到高（集裝箱式造價，風(fēng)冷：空調(diào)冷卻：水冷=1：1.1：1.2），針對SVG設(shè)備不同冷卻方式，設(shè)計選型、技術(shù)改造時建議如下：

①SVG水冷型能有效解決SVG風(fēng)冷型設(shè)備無法兼顧的散熱與防塵、防潮問題；比空調(diào)冷卻方式維護工作量低，能耗小，可靠性更高，適用范圍廣，在資金允許的情況下，建議優(yōu)先采用水冷型設(shè)備；②其次選擇空調(diào)冷卻方式的SVG，但設(shè)計時要考慮空調(diào)壓縮機隨著時間增加效率降低及廠用電能耗情況；③選擇風(fēng)冷冷卻方式的SVG時，一是SVG冷卻裝置具備內(nèi)部循環(huán)冷卻的