滑差式異步發電機無功補償系統技術改造

文 | 楊厚繼

滑差式異步發電機無功補償系統技術改造

文 | 楊厚繼

滑差式異步風電機組通過控制轉子電阻、電流調節發電機輸出功率，但不允許無功功率控制。此類發電機一般在其出口或母線上安裝并聯電容器組或靜止無功補償器（SVC）進行無功補償，但發電機的無功補償裝置往往因為設計存在缺陷，需要進行技術改造保證風電機組安全、穩定的運行。

滑差式異步發電機RCC控制原理

紅海灣風電場地處南海之濱，裝有660kW風電機組25臺，風電機組采用滑差式異步發電機，發電機出口安裝了一套共4組電容器補償裝置，對電網進行無功補償。

滑差可調繞線異步發電機在轉子上外接了一個可變電阻，通過轉子電流的測量值與給定參考電流，計算可變電阻的大小，并通過脈寬調制來控制絕緣柵極雙擊性晶體管的導通和開斷來調整轉子外接電阻的大小，從而控制轉子電流。為了調節轉子電流進而控制發電機的輸出功率，外接轉子電阻可在零至最大值之間變化，使發電機在滑差率在1%到10%之間變化。

當風速超過額定風速，風速不斷變化時，葉輪轉速和異步發電機的轉速也在變化，為保持輸出功率額定，異步發電機的滑差也相應變化，通過改變轉子外接電阻，從而改變發電機的轉子電阻，來跟隨發電機滑差變化，當發電機轉速增加時，外接的可變電阻值增大；反之，當發電機的轉速降低時，外接的可變電阻減小?；钍疆惒桨l電機控制原理圖如圖1所示。

無功補償裝置控制策略

滑差式異步發電機不同于雙饋異步發電機，在輸出有功功率的同時，還必須從電網吸收滯后的無功功率，無功吸取如果不經過補償直接并網，對電網形成污染，妨礙有功功率的輸出，而且還會造成線損增加，所以異步發電機需在其出口或母線上安裝并聯電容器組或靜止無功補償器（SVC）進行無功補償。

風電機組在發電機出口安裝了一套無功補償裝置，補償裝置由四組電容器組成，每組電容器補償裝置由電容保險、接觸器、電容器和放電繞組組成，電容器通過接觸器吸合進行投切。如圖2所示。

圖1 滑差式異步發電機控制原理圖

圖2 電容器組

從右至左，第一、二組并有三個電容，第三、四組并有兩個電容。第一、二組的補償容量為75KVAr，第三、四組的補償容量為50KVAr。一般來說電容器的投切順序與電容器的分組方式和補償容量有關，當補償容量相同時，一般按順序循環投切電容器組，即先投先切，后投后切，這樣使每組電容器投入補償運行大致相同；當補償電容器每組容量不一樣時，則需根據補償無功的大小，組合投入。風電機組無功補償裝置有50 KVAr 、75 KVAr 、100 KVAr、125 KVAr、150 KVAr、175 KVAr、200 KVAr、250 KVAr八種組合方式，但風電機組發電受風速影響，在大于切入風速（5m/s）且小于切除風速的情況下，輸出的有功功率不斷變化，這要求無功補償裝置也不斷的投切來補償無功功率，但頻繁投切對控制系統要求較高，對電容器損害較大，在實際運行中，風電機組無功補償裝置只有投第一組（75 KVAr），投第一、二組（150 KVAr），投前三組（200 KVAr），四組全投（250 KVAr）四種無功補償方式，即從右至左依次投切。

并聯電容器補償裝置運行狀況

紅海灣風電場自2003年投產至今已有十年，通過統計，每年電容器損壞50個左右，相當于每臺風電機組年損壞電容器2個，雖然損壞兩個電容器不會對無功補償造成太大的影響，風電機組也不會報故障停機，但是故障電容器繼續投入運行損壞會越來越嚴重，甚至會出現極板擊穿而爆炸的現象，所以在巡視或專項檢查時都會及時更換損壞的電容器，一年更換電容器的費用在8萬元左右。

2010年11月，一風電機組電容器爆炸起火，造成兩組電容器以及接觸器和保險燒壞，電容器爆炸起火沒造成其他電器設備損壞，但燒壞了兩組電容器補償裝置，故障停機也造成了巨大的經濟損失。

2011年4月，一風電機組無通訊，運行人員檢查發現風電機組底部控制柜正在燃燒，運行人員及時做好安全措施，撲滅火源，但整個控制柜包括無功補償裝置都被燒毀。通過事故分析，發現起火原因是電容器投入時，電容器極板被擊穿而發生爆炸，導致整個控制柜燒壞。

電容器頻繁損壞和爆炸的原因及分析

一、電容器頻繁損壞的原因及分析

（一）電容器投切頻繁，風電場地處南海之濱，年平均風速在6m/s左右，而風電機組并網風速是5m/s，所以在風電機組并網發電時第一組電容器投切頻繁。風速是經常變化的，當風速在并網風速和額定風速之間時，無功補償裝置會根據風電機組輸出功率的大小，投切電容器組保證功率因數在正常范圍。電容器頻繁投切時，來電的電壓極性正好與電容組殘留電荷極性相反，會產生很大電流，容易造成電容器損壞。

（二）空間封閉、運行溫度高。無功補償裝置位于風電機組控制柜內、空間狹小且封閉，沒有散熱系統，空氣不流通，電氣設備產生的熱量無法排除，況且風電場地處南方，溫度較高，特別在夏季，天氣炎熱，柜內最高溫度可達50度，嚴重影響了電容器的使用壽命。

二、電容器爆炸原因及分析

（一）受電網諧波的影響：無功補償裝置選用的是EPCOS電容，這種電容器沒有調節諧波的電抗器，無法起到調諧濾波補償作用，當電網出現高次諧波時，其產生的過電壓很容易擊穿電容器，如果持續的時間比較長的話，過電流產生大量的熱量極易造成電容器爆炸。

（二）鼓肚和內部游離：電容器運行時內部產生電暈、擊穿放電和嚴重游離，在過電壓的作用下，使元件起始游離電壓降低到工作電場強度之下，由此引起物理、化學、電氣效應，使絕緣加速老化、分解，產生氣體，形成惡性循環，使電容器外壁壓力增大，造成箱壁外鼓以至爆炸。

（三）帶電荷合閘引起電容器爆炸：任何額定電壓的電容器組均禁止帶電合閘。電容器組每次重新合閘，必須在開關斷開的情況下將電容器放電1min后才能進行，否則合閘瞬間的電壓極性可能與電容器上殘留電荷的極性相反而引起爆炸。為此，一般規定容量在160kvar以上的電容器組，應裝設無壓時自動跳閘裝置，并規定電容器組的開關不允許裝設自動重合閘。

電容器組無功補償裝置缺陷改造以及防范措施

電容器頻繁損壞造成了嚴重的經濟損失。兩起電容器爆炸事故，不僅造成無功補償裝置損壞，同時還造成了其他電氣部件損壞，甚至整個風電機組控制柜都被燒壞。兩起事故雖然是因為電容器爆炸引起，但無功補償裝置設計上存在的缺陷也是造成事故發生的重要原因。

（1）根據無功補償電容器的安裝尺寸，我們設計制作一套獨立的電容柜，將電容器從控制柜搬移出來，徹底與控制柜元件隔開。這樣即使再發生電容器爆炸著火的情況，也只是損失幾個電容器，不會造成其他電氣部件的損壞。改造前電容柜和改造后電容柜如圖3和圖4所示。

圖3 改造前電容柜

圖4 改造后電容柜

（2）安裝一套散熱系統。散熱系統安裝在獨立的電容器柜內，當溫度超過30度時，風扇在繼電器的控制下啟動，保證柜內溫度較低，空氣流通，為電容器運行提供良好的環境。

（3）增加動力電纜防火隔斷阻燃裝置。在風電機組塔筒底部的動力電纜進出線中間，增加一套防火隔斷阻燃裝置，采用不銹鋼材料作裝置殼體，將防火阻燃材料填充于裝置內部，形成一個阻燃包體。一旦因為電容器爆炸著火或者其他原因著火時，阻燃裝置會截斷火源，防止火情繼續蔓延，有效的保護其他電器元件。

（4）加強風電機組運行監控工作。加強對風電機組電流、電壓、功率因數等參數的監控，及時發現電容器損壞造成電流不平衡的現象，及時通知檢修人員更換電容器，保證風電機組安全穩定運行。

（5）加強電容器組巡視工作。電容器出現漏油、鼓肚現象等現象，基本可以判斷電容器已經損壞，如果出現保護熔斷器未熔斷，接觸器在吸合的情況下，“帶病”運行的電容器極易以防爆炸，造成更大的損失，所以運行檢修人員應加強巡視，及時發現隱患，防止事故發生，特別是夏季，電容器投切更頻繁，應增加巡視次數，天氣異常情況下，增加特別巡視。

結語

無功補償裝置改造后，電容器損壞數量明顯減少，也未發生電容器爆炸的事故，顯然對電容器無功補償裝置的改造起到了良好的效果，為風電場帶來了良好的經濟效益，更重要的是使風電機組運行更安全、可靠。

(作者單位：神華國華（陸豐）風電有限公司)