浅谈风电场无功补偿冷却方式对设备可靠性的影响

【摘要】随着风电技术的日臻成熟，风力发电凭借其独有的优势，成为非化石燃料发电的重要来源。风电规模逐步扩大和风电装机容量在电网中的比例的逐渐增加，对风能的开发和利用得到了包括电网、电科院、各发电企业等越来越多的关注和重视，与风电相关的技术和产业正在迅猛发展。但困难与希望同在，挑战与机遇并存，风电大规模并网对电网稳定性、电能质量的影响也越来越突出，而风电场动态无功补偿装置在维持并网点电压平衡、保持局域电网暂态平衡、改善电能质量、提升经济性方面有着不可或缺的作用，其可靠性、重要性不言而喻。本文通过对风电场无功补偿装置本体冷却方式进行分析、比较，提出风电场无功补偿冷却方式选型的建议，从而保证风电场无功补偿设备的可靠运行，确保电网安全稳定，提升风电场电能质量和经济效益。【关键词】无功补偿SVG冷却选型1.引言截至到2019年年底，中国风电累计装机容量已经突破21005万kW，占电网总装机容量的10.4%。随着风电装机规模和所占比重不断增长，加上风电负荷的间隙性、时效性及所处电网架构末端等特点，使得风电场接入系统后对电网的影响也日益严重，主要表现在无功电压控制问题、系统的安全稳定、谐波、发电能力及经济性等方面问题。为了补偿电网中的无功和谐波，提高电网运行的安全性和可靠性，为用户提供一个良好的用电环境，风电场无功补偿装置显得尤为重要；风电场无功补偿装置在经历了固定补偿、静止型无功补偿器（SVC）之后，静止型无功补偿发生器（SVG）已经成为主流设备，电网、各风电企业对其可靠性要求也越来越高、考核越来越严格，通过分析风电场不同冷却方式的无功补偿装置运行工况，指出无功补偿装置不同的冷却方式对设备可靠性、经济性的影响，为后续风电场无功补偿装置冷却方式的选型和改造提供参考。2.风电场配置无功补偿设备必要性2.1风电场典型无功补偿主接线图风电场电气主接线一般有风机、箱变、架空线路、母线、无功补偿装置、互感器、站用变、备用变、主变、送出线等感性设备组成，如下图：2.2风电场无功补偿装置的作用（1）风电场一般地处偏远，建设在电网末端，就近上网，与电网连接结构比较单一、薄弱，加上风资源的间歇性和不确定性等特点，大规模风电机组并网时会导致电网电压下降，使风电场及区域系统的电压稳定性变差，如果此时没有足够的容性无功投入，则可能引发连锁反应，严重时会出现系统电压崩溃现象；反之则电压升高，需要投入足够的感性无功，故需要风电场有足够容量和响应速度的无功支撑来保证系统的电压稳定性。如此规模的无功功率缺口，单靠电网的无功补偿设备显然“心有余而力不足”，风电场本身必须具备无功补偿的能力和实力，这样才能确保场网的安全，使区域电网电压维持在一个相对稳定的水平，风机自身自身能够连续、稳定运行。（2）依据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T-19963）第7条要求风电场无功容量应按照分层、分区基本平衡的原则配置，风电场只有配置相应无功补偿装置才能够补偿集电线路、箱变、主变等无功功率损耗，提升功率因数、减少设备因无功功率流动的引起损耗、减少功率因素不达标引起的考核，提升经济效益。（3）随着大功率电子元器件的不断地应用，使得区域电网电能质量逐渐恶化，在区域电网中存在大量的谐波分量，不仅影响供电质量，还容易造成电力系统安全保护装置误动，甚至与系统发生谐振进而引发事故，在风电场安装无功补偿装置能够有效改善电能质量，尤其是近年大规模使用的SVG对于谐波分量畸变（波动和闪变）及三相不平衡的补偿效果较为明显。（4）目前大规模并网的双馈、直驱风电机组虽然有一定的无功补偿能力，但是由于其自身容量有限，不能满足全风电场变压器、线路的无功损耗，加上其响应速度较慢，不能快速对所需的无功进行补偿，只能参与补偿，因此无法满足电网对风电场无功的要求，需要在风电场配置满足要求的无功补偿装置。（5）依据《风电场接入电力系统技术规定》（GB/T-19963）第9条要求“风电场并网点电压跌至20％标称电压时，风电场内的风电机组应保证不脱网连续运行625ms”。在闪变等特殊故障情况下，没有无功补偿支撑比有无功补偿的风电场标称电压跌落的更严重，存在风机大规模脱网风险，因此，风电场无功补偿装置对于风机连续运行至关重要。3.电网公司对无功补偿运行要求（1）在经历2010年张北、甘肃风电大规模脱网事件后，国网于2011年下发了《关于印发风电并网运行反事故措施要点的通知》【2011】974号文要求，风电场应配置足够容量的动态无功补偿容量，且动态调节的响应时间不大于30ms。（2）按照《华北区域风电场并网运行管理实施细则》【2015】381号文第十二条规定“风电场动态无功补偿装置应投入自动运行，电力调度机构按月统计各风场动态无功补偿装置的月投入自动可用率，···动态无功补偿补偿装置月投入自动可用率以95%为合格标准，低于95%的风电场考核电量按照*风电场当月上网电量”。也就是说一个只有一套无功补偿装置的风电场每月检修、维护、保养等最多可以停运30*（1-95%）=1.5天（36小时），即从断开无功补偿高压侧开关开始计算，一直到设备恢复运行36小时（包含期间向调度汇报、故障分析、安全技术措施、检查、检修、编写分析报告等时间）。4.目前风电场无功补偿装置的运行现状(1)根据山西省公布2019年1-11月份通报显示，在山西并网超过6个月的风电场SVG装置故障率、临停率合计高达12.20%，无功补偿装置总考核金额占全部双细则考核金额的15.18%，若包含并网时间未超6个月的风电场及其他原因免考等情况，平均1套SVG连续运行时间不超过4个月，运行可靠性较差。(2)风电场地处偏远，环境较为恶劣，上下班不方便，人员相对较为固定；以一个5万千瓦的风电场为例，一般标准配备运维人员15人左右，除去调休人员，风场常住主业员工基本在10人左右，在场人员主要精力集中在巡检、维护风机上，其次集中在运行管理上，相对而言对无功补偿装置投入较少，专业人员培养、岗位设置均存在重视程度不足问题，故无功补偿故障后基本依靠厂家提供技术维修服务；少部分风电场具备根据无功补偿监控报警判断出损坏部件，并对损坏部件更换；但对无功补偿装置故障后全面检查、逻辑参数测试、大数据仿真分析、全面功率模块测试等工作基本未开展。自行更换部件带来的安全风险、试运行的成功率及设备故障的深层次原因不能充分挖掘和有效的改进。(3)无功补偿装置备件大都是非标准件，市场上不常见，备件采购基本向原厂家采购，价格较高，一个风电场基本不可能储备所有备件，一般只储存常用备件，如功率模块、电源模块、各种接头、高速光纤等，故障后很大概率处于缺件状态。(4)目前风电场正在逐步向无人或少人值守、大集控运行方向过渡，现场人员逐步减少，大规模培养专业人员或在风电场设置专责人员不符合各风电公司实际情况。(5)按照《华北区域风电场并网运行管理实施细则》【2015】381号文规定，一个只有一套无功补偿装置的风电场每月检修、维护、保养等最多可以停运36小时，扣除休息等不可用时间，可用时间最多也就是20小时，按照正常逻辑核算，只要无功补偿发生异常故障，没有专业的技术团队、充足的备件和高效的调度协调能力，想要在20小时内恢复基本不可能。综上所述，提升风电场无功补偿装置可靠性刻不容缓，但可靠性提升方向已经从靠现场人员技术水平和能力向更稳定可靠的设备，向多传感器、大数据预知性消缺方向发展。5.不同无功补偿装置冷却介质选型对可靠性影响风电场无功补偿装置在经历了电容器（电抗器）、SVC（MCR、TCR）之后，基本过渡到了响应速度更快、功耗更小、布局灵活、谐波含量更低的SVG，下面就以市场主流的SVG为例，分析、对比不同冷却介质对其可靠性影响。（1）典型的SVG系统图2）SVG实质是以大功率电压型逆变器为核心，通过调节逆变器输出电压幅值和相位，或者直接控制交流侧电流的幅值和相位，迅速吸收或发出所需的无功功率，实现快速（<10ms）动态调节无功功率的目的。SVG装置核心部分是单元模块，单元模块核心组件是大功率IGBT，同时IGBT也是单元模块中发热量最大的部分，某种意义上讲SVG冷却就是IGBT冷却。下面以山西地区某公司4座风电场2019年运行数据分析SVG工况：由上述运行记录可知：①无论直挂式还是降压式主流厂家SVG电气、控制技术均比较成熟，对设备可靠性影响不大；②风冷SVG故障率明显高于密闭空调冷却和水冷冷却的SVG；③水冷或空调冷却SVG因日常运行工况较好，企业为提升资金利用率，现场储备备件较少；SVG厂家基本也不储备水冷或空调备件，一旦发生故障需要走流程采购，恢复时间较长，电网考核金额也相对较大；④空调冷却的SVG需要定期（一般不超过6个月）对空调进行维护保养，若维护保养不到位，不仅其压缩机寿命缩短，冷却功效也会大打折扣，一旦冷却效果减弱，SVG故障率随着上升；⑤风冷SVG电子元器件运行工况明显较差，主要体现在功率模块、电源模块、光纤爬电等，尤其在温差较差大、风沙大、负荷变化大、雨雪天气故障概率明显大于水冷或空调冷却的SVG，而且一旦发生故障，损坏部件基本不可修复；⑥无论是风冷、水冷还是空调冷却，定期维护保养工作对设备可靠性影响较大，不同冷却方式只是定期工作频率、工作内容和工作量大小问题，并不是一劳永逸；⑦合理储备备件（最好联合储备）、配备相关测试工具、与调度部门保持良好的沟通是SVG故障后快速恢复运行的重要途径。6、结束语目前国内主流厂家的SVG技术相对成熟，报价基本按照冷却系统的复杂程度由低到高（集装箱式造价，风冷：空调冷却：水冷=1：1.1：1.2），针对SVG设备不同冷却方式，设计选型、技术改造时建议如下：

①SVG水冷型能有效解决SVG风冷型设备无法兼顾的散热与防尘、防潮问题；比空调冷却方式维护工作量低，能耗小，可靠性更高，适用范围广，在资金允许的情况下，建议优先采用水冷型设备；②其次选择空调冷却方式的SVG，但设计时要考虑空调压缩机随着时间增加效率降低及厂用电能耗情况；③选择风冷冷却方式的SVG时，一是SVG冷却装置具备内部循环冷却的