風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償裝置的選型

風(fēng)力發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，向電網(wǎng)輸送的電能是隨風(fēng)力的大小而變化的，因此要求無(wú)功隨負(fù)荷的變化而變化的。這就要求無(wú)功補(bǔ)償裝置必須按照實(shí)際需要進(jìn)行自動(dòng)投切。

如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)在滿載時(shí)匹配固定補(bǔ)償電容器，在空載或輕載時(shí)，將出現(xiàn)過(guò)補(bǔ)償，發(fā)電效率下降，電網(wǎng)電壓升高，直接影響電氣設(shè)備安全運(yùn)行及壽命；如果風(fēng)力發(fā)電機(jī)在空載或輕載時(shí)匹配固定補(bǔ)償電容器，在滿載時(shí)達(dá)不到較為理想的無(wú)功補(bǔ)償要求，在風(fēng)機(jī)停機(jī)解列時(shí)，同樣會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓升高。

風(fēng)電機(jī)組一般還配有大量的變壓器、架空集電線路，也會(huì)消耗大量的容性無(wú)功，因此，風(fēng)電場(chǎng)有必要配置動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，以調(diào)節(jié)風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功功率。

目前，動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置主要有TCR (晶閘管控制電抗器)型SVC、MCR (磁控電抗器)型SVC、電壓型無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償成套裝置等類(lèi)型，均能滿足風(fēng)電運(yùn)行需要，性能上TCR 型SVC 最優(yōu), 具有快速抑制(響應(yīng)時(shí)間10ms) 電壓波動(dòng), 節(jié)約能源, 能平滑的控制無(wú)功負(fù)荷的允許波動(dòng), 負(fù)荷穩(wěn)定, 目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣，基于MCR 的SVC目前應(yīng)用還不廣泛, 其可靠性還需進(jìn)一步調(diào)研。

電壓型無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償成套裝置價(jià)格相對(duì)最低, 可靠性也能滿足要求, 抑制電壓波動(dòng)的速度相對(duì)較慢，不能滿足風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行要求。其余的幾種應(yīng)用較少。

因此綜合考慮技術(shù)成熟程度及性能優(yōu)勢(shì)，我風(fēng)場(chǎng)選用了榮信電力電子有限公司生產(chǎn)TCR (晶閘管控制電抗器)型SVC 無(wú)功自動(dòng)補(bǔ)償成套裝置, 以適應(yīng)風(fēng)電場(chǎng)變化快, 滿足電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

茂明風(fēng)場(chǎng)一期工程為4.95MW，送出線路為220kV,在風(fēng)場(chǎng)內(nèi)建設(shè)220kV升壓站，主變按遠(yuǎn)期規(guī)劃容量為100MVA，根據(jù)電網(wǎng)要求及電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償配置技術(shù)原則，220kV變電站的無(wú)功補(bǔ)償裝置容量應(yīng)按主變?nèi)萘康?0%——25%配置。綜合考慮風(fēng)場(chǎng)負(fù)荷（兩期為99MW），按茂明風(fēng)場(chǎng)負(fù)荷20%配置無(wú)功補(bǔ)償容量計(jì)算，在主變35kV側(cè)布置一組動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償，其容量為20 Mvar。

TCR型SVC的工作原理

TCR型 SVC20世紀(jì)80年代開(kāi)始在我國(guó)投入使用。主要由控制柜、可控硅閥組（TCR）、相控電抗器、電容器及濾波電抗器（FC）組成。工作原理為根據(jù)檢測(cè)將補(bǔ)償電容設(shè)計(jì)成濾波支路形式全部投入,控制器通過(guò)光纜傳輸信號(hào)控制晶閘管的導(dǎo)通角,從而控制電抗器電感無(wú)功輸出量抵消過(guò)補(bǔ)的電容無(wú)功，以達(dá)到補(bǔ)償目的。

TCR的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管和電抗器串聯(lián)，通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角，控制TCR的電流以達(dá)到控制其無(wú)功功率大小。

圖一 TCR型SVC的控制原理

如圖一所示，電容器提供固定的容性無(wú)功Qc，控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷無(wú)功計(jì)算并通過(guò)晶閘閥組控制補(bǔ)償電抗器通過(guò)的電流調(diào)節(jié)補(bǔ)償電抗器輸出感性無(wú)功QTCR 的大小，使得電容器產(chǎn)生的容性無(wú)功和負(fù)荷及電抗器產(chǎn)生的感性無(wú)功相抵消，只要能做到系統(tǒng)無(wú)功Qn=QF(負(fù)荷無(wú)功)-Qc+QTCR=常數(shù)(或0)，則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù)，電壓幾乎不波動(dòng)。

其關(guān)鍵是通過(guò)晶閘管變流裝置和控制系統(tǒng)準(zhǔn)確采集母線的無(wú)功電流值和電壓值，合成無(wú)功值，和所設(shè)定的恒無(wú)功值(可能是0)進(jìn)行比較，計(jì)算得晶閘閥觸發(fā)角大小，通過(guò)晶閘管觸發(fā)裝置使晶閘管流過(guò)所需電流。

華能茂明風(fēng)場(chǎng)TCR型SVC參數(shù)

茂明風(fēng)場(chǎng)TCR有效補(bǔ)償容量為20Mvar；可實(shí)現(xiàn)無(wú)功在0-20MVar范圍內(nèi)可調(diào)。

主要設(shè)備包括：TCR部分、FC部分、控制部分。

圖二 茂明風(fēng)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)一次簡(jiǎn)圖

TCR內(nèi)配備相控電抗器三臺(tái)，其三相有效補(bǔ)償容量為20MVar，額定工作電壓為35kV；晶閘管閥組一套（共180支），通過(guò)觸發(fā)柜光電觸發(fā)，并配有阻容吸收回路、均壓回路、換向過(guò)電壓保護(hù)和擊穿保護(hù)電路。

FC濾波部分分為 ：H3濾波成套裝置，容量為13920kVar；H5濾波成套裝置，容量為14280kVar；均由濾波電抗器、濾波電容器組成。 其電容器即是濾波回路的組成部分也是容性無(wú)功的提供者。

控制系統(tǒng)由控制柜、脈沖柜和功率單元三部分組成，可以監(jiān)視及控制主要設(shè)備，并對(duì)主要設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，并顯示各設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，記錄各類(lèi)故障報(bào)警。

該無(wú)功補(bǔ)償裝置的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速，能夠達(dá)到對(duì)晶閘管的同時(shí)觸發(fā)。對(duì)于不對(duì)稱(chēng)負(fù)荷能夠分相調(diào)節(jié)，消除負(fù)序電流，平衡三相電網(wǎng)，節(jié)約能源，能夠平滑的控制無(wú)功負(fù)荷的允許波動(dòng)，負(fù)荷穩(wěn)定，可連續(xù)調(diào)整無(wú)功出力；在系統(tǒng)發(fā)生短路故障情況下，SVC的動(dòng)態(tài)無(wú)功調(diào)節(jié)能力可以加快故障切除后風(fēng)電場(chǎng)內(nèi)部和接入點(diǎn)電壓的恢復(fù)過(guò)程；在風(fēng)速變化情況下可以使風(fēng)電場(chǎng)電壓的波動(dòng)明顯降低，

FC濾波回路還能夠有效地夠消除了自身及風(fēng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的高頻諧波。

茂明風(fēng)電場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)目刂撇呗?/h1>

茂明風(fēng)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償采用恒功率因數(shù)方式，電壓電流取樣點(diǎn)為升壓站主變220kV側(cè)電壓、電流?？刂撇捎瞄_(kāi)、閉環(huán)結(jié)合的控制方式。開(kāi)環(huán)以滿足SVC控制器的響應(yīng)時(shí)間，確保系統(tǒng)對(duì)電壓波動(dòng)和閃變抑制的要求。閉環(huán)控制來(lái)調(diào)節(jié)被控TCR電流精度，以確保功率因數(shù)的穩(wěn)定?？蓪?shí)現(xiàn)三相同時(shí)控制、分相控制和三相平衡化等多種控制方式。

正常運(yùn)行時(shí)，電容器全部投入運(yùn)行，TCR接入35kV母線，無(wú)功補(bǔ)償控制器接收到風(fēng)場(chǎng)無(wú)功參數(shù)后，經(jīng)過(guò)計(jì)算，可實(shí)現(xiàn)和功率因數(shù)運(yùn)行，自動(dòng)通過(guò)晶閘管調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膭?dòng)態(tài)容量。

因風(fēng)場(chǎng)無(wú)功補(bǔ)償控制器安裝在晶閘閥，為了更好的監(jiān)控?zé)o功補(bǔ)償狀態(tài)，通過(guò)RS232接口接入南瑞自動(dòng)化系統(tǒng)，能夠在主控室很好的監(jiān)視到無(wú)功補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)行狀態(tài)，及各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)。

茂明風(fēng)電場(chǎng)配置無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋匾蕴接?/h1>

華能內(nèi)蒙古茂明風(fēng)電場(chǎng)一期工程是華能新能源公司在內(nèi)蒙古西部地區(qū)投產(chǎn)的第一個(gè)風(fēng)電項(xiàng)目。

本工程總裝機(jī)容量為49.5MW，采用由東方汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的FD70B型1500kW雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)。從茂明風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行中看，風(fēng)機(jī)能夠按照定功率因數(shù)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)風(fēng)機(jī)發(fā)出的電能質(zhì)量也較好，滿足安全穩(wěn)定的要求。

主要是因?yàn)?，風(fēng)機(jī)自身在設(shè)備配置上采取了無(wú)功補(bǔ)償及消諧措施，可以定功率因數(shù)運(yùn)行，通過(guò)參數(shù)調(diào)整，還可以發(fā)出一定容量的容性無(wú)功，因此，在風(fēng)機(jī)正常發(fā)電時(shí)，不投入無(wú)功補(bǔ)償，也能保證輸出的電能質(zhì)量達(dá)到電網(wǎng)的要求。但這并不意味著配置無(wú)功補(bǔ)償裝置沒(méi)有必要。

風(fēng)電場(chǎng)每臺(tái)風(fēng)機(jī)均配備一臺(tái)35kV/690V的箱式變壓器，并且采用架空集電線路輸送至升壓站，大量的變壓器及線路會(huì)消耗大量的容性無(wú)功，因此，配備無(wú)功補(bǔ)償主要是補(bǔ)償變壓器及線路的無(wú)功損耗。

茂明風(fēng)電場(chǎng)輸電線路接入內(nèi)蒙望海變電站，該變電站接入了四家風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，裝機(jī)總?cè)萘拷?50MW。由于配置風(fēng)電容量較大，造成望海變電能質(zhì)量較差，受風(fēng)的影響較大，負(fù)荷調(diào)節(jié)能力較弱，因此當(dāng)負(fù)荷變化較大時(shí)，或風(fēng)電場(chǎng)突然切除，容易瞬時(shí)降低電網(wǎng)的電壓，從而導(dǎo)致出現(xiàn)電壓穩(wěn)定問(wèn)題。

當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大時(shí)，風(fēng)機(jī)出于自我保護(hù)，將切除負(fù)荷，造成電網(wǎng)電能質(zhì)量更加惡劣，所以需要配置反映迅速的無(wú)功補(bǔ)償裝置，使其具有足夠的無(wú)功吞吐調(diào)節(jié)能力和動(dòng)態(tài)支撐，有效提高電壓穩(wěn)定裕度；在發(fā)生電網(wǎng)電壓波動(dòng)時(shí)，能夠及時(shí)調(diào)節(jié)，以加強(qiáng)電場(chǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

調(diào)試中注意的問(wèn)題

1 散熱問(wèn)題

晶閘管閥組的發(fā)熱量很大，而閥組室因防塵等需要是封閉的，因此除了閥組單元本體配備的散熱器外，還要配備一主一備兩臺(tái)大功率空調(diào)。

閥組控制系統(tǒng)有溫度故障保護(hù)，當(dāng)溫度大于正常運(yùn)行溫度時(shí)，自動(dòng)彈出“溫度保護(hù)”動(dòng)作告警，當(dāng)溫度降低后才可重新啟動(dòng)SVC設(shè)備。因此，運(yùn)行當(dāng)中要加強(qiáng)對(duì)閥組室的巡檢，如發(fā)現(xiàn)溫度高，盡快做出散熱措施（開(kāi)備用空調(diào)等），以防止因溫度過(guò)高造成SVC設(shè)備跳閘。

2 晶閘管擊穿故障

在調(diào)試過(guò)程中，晶閘管是整個(gè)系統(tǒng)中最容易出現(xiàn)故障的元件，曾多次發(fā)生晶閘管擊穿故障，當(dāng)晶閘管擊穿數(shù)量少于整定值（茂明風(fēng)場(chǎng)為3個(gè)）時(shí)報(bào)警，但SVC系統(tǒng)還可正常運(yùn)行，當(dāng)超過(guò)整定值時(shí)，SVC報(bào)故障并立即跳閘。檢查晶閘管兩端電阻值是否正常，如正常，檢查阻容吸收電路電阻阻值是否正常。

在本工程調(diào)試過(guò)程中，晶閘管實(shí)際擊穿的次數(shù)較多。 主要原因是電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，而晶閘管的設(shè)計(jì)容量偏?。?00A），后將所有晶閘管更換（700A）后問(wèn)題得以解決。

無(wú)功補(bǔ)償裝置的運(yùn)行情況

從我風(fēng)場(chǎng)目前無(wú)功情況看，設(shè)備運(yùn)行良好，多臺(tái)風(fēng)機(jī)投入運(yùn)行后，均能控制良好的無(wú)功輸出，具備良好的無(wú)功調(diào)節(jié)效果。當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)能夠有效的消除電壓波動(dòng)對(duì)風(fēng)機(jī)的影響。

通過(guò)華能茂明風(fēng)電一期的基建安裝、調(diào)試過(guò)程，以及SVC型靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的調(diào)試、試運(yùn)，我們對(duì)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾杂辛烁鼮樯羁痰恼J(rèn)識(shí)，無(wú)功補(bǔ)償裝置的可靠運(yùn)行及配置，對(duì)風(fēng)電場(chǎng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有十分重要的作用。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為潘樹(shù)軍、王劍彬 等。）