杏花山風(fēng)電場(chǎng)SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置不同冷卻方式運(yùn)行分析

張向東，龐俊強(qiáng)

(國家能源集團(tuán)國華投資有限公司河北分公司，河北 張家口 076750)

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)大量使用，其功率單元IGBT模塊發(fā)熱量大，常用的冷卻方式有水冷散熱系統(tǒng)與風(fēng)冷散熱系統(tǒng)。

1 工程概況

杏花山99 MW風(fēng)電場(chǎng)工程位于河北省張家口市尚義縣境內(nèi)東部，風(fēng)電場(chǎng)中心地理位置為東經(jīng)114°16′，北緯41°10′，平均海拔高程約1 520 m。屬東亞大陸性季風(fēng)氣候中溫帶亞干旱區(qū)，年平均氣溫3.7 ℃。極端最高氣溫30.6 ℃，最低氣溫-39.8 ℃，年平均降雨量480 mm～510 mm，集中在7月、8月份，積雪期長(zhǎng)達(dá)4個(gè)多月，大于6級(jí)風(fēng)日數(shù)70 d。

杏花山風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)30臺(tái)3.3 MW機(jī)組，開發(fā)容量為99 MW。該工程配置有兩套SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，分別為不同廠家、不同冷卻方式的無功補(bǔ)償裝置。

一套為直掛式水冷SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，由思源清能電氣電子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為QNSVG-28/35-CW，在SVG集裝箱內(nèi)布置，于2020年12月投運(yùn)。投運(yùn)一年多來，運(yùn)行比較穩(wěn)定，其間升級(jí)過監(jiān)控系統(tǒng)軟件，未發(fā)生故障跳閘現(xiàn)象。

另一套是降壓式風(fēng)冷SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置，由山東泰開電力電子有限公司生產(chǎn)，型號(hào)為TKSVG 35/10-17M(8.5+8.5)，在SVG室內(nèi)布置，于2012年11月投運(yùn)。后于2020年11月對(duì)SVG無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行高低穿改造，主要是控制方面的硬件和軟件的改造，包括更換了最新版控制裝置、更新了耐頻耐壓程序、功率單元進(jìn)行返廠升級(jí)、更換閉環(huán)霍爾傳感器及采集回路、冷卻風(fēng)機(jī)增加變頻功能并修改控制回路和保護(hù)參數(shù)、更換功率單元絕緣導(dǎo)軌、更換功率柜防塵棉等。

2 SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置水冷系統(tǒng)介紹

2.1 水冷系統(tǒng)工作原理

水冷SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置散熱方式為水冷散熱，密閉水冷卻系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，通過水冷板將IGBT產(chǎn)生的熱量交換至冷卻介質(zhì)(通常是乙二醇水溶液)中，冷卻介質(zhì)在泵的壓力作用下沿管路流經(jīng)換熱器，并通過戶外水風(fēng)換熱器實(shí)現(xiàn)第二次熱量交換，降低冷卻介質(zhì)溫度，冷卻后的介質(zhì)再次流回SVG閥組部分，循環(huán)工作。冷卻系統(tǒng)動(dòng)力元件(泵、風(fēng)機(jī)等)的啟停和各傳感器的反饋信號(hào)通過PLC統(tǒng)一處理， 并在人機(jī)界面上顯示。

圖1 SVG水冷系統(tǒng)工作原理

2.2 水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖2 SVG水冷系統(tǒng)循環(huán)原理

水冷卻系統(tǒng)根據(jù)各部分功能不同主要由以下幾個(gè)部分構(gòu)成:主循環(huán)冷卻回路、去離子回路、控制與保護(hù)、水-風(fēng)換熱器和其他輔助組件等，如圖2所示。

2.2.1 主循環(huán)冷卻回路。冷卻介質(zhì)在主循環(huán)泵動(dòng)力作用下，帶走水冷板中熱量，熱介質(zhì)通過換熱設(shè)備進(jìn)行二次散熱后，再回流主循環(huán)回路。主循環(huán)回路設(shè)置2臺(tái)主循環(huán)泵，1用1備，工作模式為輪換工作，可定時(shí)自動(dòng)切換和手動(dòng)切換，工作時(shí)間可通過觸摸屏設(shè)置。

2.2.2 去離子回路。去離子回路是并聯(lián)于主循環(huán)回路的支路，主要由離子交換器及相關(guān)附件組成，對(duì)主循環(huán)回路中的部分介質(zhì)進(jìn)行純化。通過對(duì)冷卻水中離子的不斷脫除，達(dá)到長(zhǎng)期維持極低電導(dǎo)率的目的。

圖3 SVG水冷系統(tǒng)水泵電氣原理

2.3 水冷系統(tǒng)控制與保護(hù)

水冷系統(tǒng)具有IGBT單元閥室的溫濕度檢測(cè)功能，并通過與水溫的計(jì)算，具備結(jié)露預(yù)警和跳閘功能，并可向SVG控制系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警和跳閘信號(hào)。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷系統(tǒng)的監(jiān)控與保護(hù)，將水冷系統(tǒng)的工作狀況上傳給主控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水冷系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。水-風(fēng)換熱器：風(fēng)機(jī)的起停組群由PLC根據(jù)溫度傳感器發(fā)出的指令控制。其主要設(shè)備包括盤管、散熱翅片和風(fēng)機(jī)等。

3 SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置風(fēng)冷系統(tǒng)介紹

3.1 風(fēng)冷系統(tǒng)工作原理

風(fēng)冷SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置布置在SVG室內(nèi)，散熱方式為風(fēng)冷散熱，風(fēng)冷系統(tǒng)由散熱風(fēng)機(jī)和控制電路組成。冷空氣由功率柜進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入，帶走功率柜內(nèi)功率模塊IGBT產(chǎn)生的熱量，經(jīng)過冷卻風(fēng)扇從功率柜頂部的風(fēng)道排至室外，SVG室內(nèi)形成負(fù)壓，室外冷空氣由SVG室墻上的通風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，如此往復(fù)循環(huán)，能夠保證環(huán)境溫度穩(wěn)定在SVG裝置正常工作所需范圍內(nèi)。

3.2 風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖4 SVG功率柜內(nèi)部示意

SVG風(fēng)冷系統(tǒng)由12個(gè)冷卻風(fēng)扇和1面控制柜組成，控制柜內(nèi)布置有變頻器、PLC、風(fēng)機(jī)控制回路等，12個(gè)風(fēng)扇依次布置在功率柜頂部，功率柜正面布置有進(jìn)風(fēng)口，PLC通過溫度傳感器采集功率柜內(nèi)溫度信號(hào)，發(fā)出冷卻風(fēng)扇啟停控制指令。

3.3 控制與保護(hù)

風(fēng)扇控制回路中配置有PLC、變頻器，通過控制裝置采集SVG功率模塊IGBT的溫度，根據(jù)溫度調(diào)整變頻器輸出，節(jié)約場(chǎng)用電。另外風(fēng)機(jī)停止后，SVG設(shè)備閉鎖不跳閘，在現(xiàn)場(chǎng)切換站用變或者交流電源臨時(shí)故障時(shí)能夠避免SVG跳閘，減少不必要的停電次數(shù)。

圖5 SVG風(fēng)冷系統(tǒng)風(fēng)扇控制回路

4 SVG風(fēng)冷系統(tǒng)與水冷系統(tǒng)運(yùn)行對(duì)比分析

杏花山風(fēng)電場(chǎng)兩套SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置所處運(yùn)行環(huán)境相同。通過一年多的運(yùn)行對(duì)比觀察，分析兩套無功補(bǔ)償裝置不同冷卻方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

4.1 水冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置水冷系統(tǒng)能夠保證裝置在各種額定的環(huán)境條件下適應(yīng)IGBT單元閥組的各種運(yùn)行工況，可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。在全站停電檢修期間，對(duì)SVG裝置功率模塊進(jìn)行定期維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)裝置內(nèi)部功率模塊相對(duì)比較干凈、積灰較少。但是還存在以下幾方面需要關(guān)注的薄弱點(diǎn)。

4.1.1 水冷系統(tǒng)冷卻液泄漏。在投運(yùn)前裝置調(diào)試過程中發(fā)生過一次冷卻液少量泄漏情況，隨后及時(shí)檢查清理。后續(xù)一年多來未發(fā)生因變形、泄漏、異常振動(dòng)和其他影響IGBT單元閥組正常工作的缺陷。

4.1.2 水冷系統(tǒng)的防凍設(shè)計(jì)。風(fēng)電場(chǎng)所處區(qū)域冬季大風(fēng)、氣溫至-30 ℃，水冷系統(tǒng)所用的冷卻介質(zhì)為乙二醇水溶液，最低冰點(diǎn)達(dá)到-60 ℃。2020年經(jīng)過一個(gè)冬季，水冷系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，未發(fā)生異常，但仍需要定期測(cè)試?yán)鋮s液冰點(diǎn)是否合格。

4.1.3 冷卻液補(bǔ)充頻率。并網(wǎng)初期對(duì)水冷系統(tǒng)進(jìn)行過一次全面檢查并完成補(bǔ)液。到目前為止，液位未降至警戒線以下，通過定期巡視，預(yù)計(jì)補(bǔ)液周期在2年左右。

4.1.4 水冷系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定性。經(jīng)過一年多的運(yùn)行觀察，水冷系統(tǒng)主循環(huán)冷卻回路、去離子回路、控制與保護(hù)、水-風(fēng)換熱器和其他輔助組件等均能可靠運(yùn)行，其間出現(xiàn)過一次故障，手動(dòng)復(fù)位后恢復(fù)正常。

4.2 風(fēng)冷系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置風(fēng)冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于日常巡視維護(hù)，故障率低，同時(shí)也能達(dá)到功率模塊對(duì)環(huán)境溫度的要求。但是存以下薄弱點(diǎn)。

圖6 SVG風(fēng)冷功功率模塊布置

①通過強(qiáng)制風(fēng)冷將SVG功率模塊產(chǎn)生熱量帶走，在空氣交換過程中，SVG室進(jìn)風(fēng)量需求大，導(dǎo)致SVG室內(nèi)部容易吸入雨雪，影響設(shè)備安全和穩(wěn)定運(yùn)行。②正常情況下室內(nèi)空氣會(huì)持續(xù)在SVG柜內(nèi)外循環(huán)，運(yùn)行一段時(shí)間，會(huì)逐漸將灰塵積累到SVG內(nèi)部裝置。變電站所處區(qū)域春季風(fēng)沙大，特別是2021年連續(xù)幾次的沙塵暴天氣，SVG室通風(fēng)濾網(wǎng)因灰塵大導(dǎo)致通風(fēng)效果差，造成室內(nèi)負(fù)壓較大。室內(nèi)地面及屏柜上有明顯積灰，需要對(duì)SVG室內(nèi)通風(fēng)濾網(wǎng)及功率柜濾網(wǎng)進(jìn)行定期清理。③在SVG裝置無功出力較大時(shí)，產(chǎn)生熱量較多，室風(fēng)冷風(fēng)扇全部運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)室內(nèi)噪音較大，不利于運(yùn)維人員檢查SVG功率模塊運(yùn)行情況。④全站停電檢修期間，對(duì)該套SVG裝置功率模塊進(jìn)行定期維護(hù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)功率模塊內(nèi)部有明顯積灰，需要用吸塵器逐個(gè)清理。由于單個(gè)功率模塊重量一般都在50 kg以上，在清理過程中，搬運(yùn)功率模塊一般需要有2人配合，不僅增加了運(yùn)維人員發(fā)生物體打擊的人身安全風(fēng)險(xiǎn)，也增加了功率模塊搬運(yùn)過程中誤碰光纖或者損壞模塊的設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)。目前，采用風(fēng)冷系統(tǒng)的SVG可以通過開展通風(fēng)改造，在保證通風(fēng)量的前提下，提高SVG室防塵等級(jí)，優(yōu)化SVG室內(nèi)運(yùn)行環(huán)境。

5 結(jié)束語

通過對(duì)杏花山99 MW風(fēng)電場(chǎng)SVG型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置風(fēng)冷和水冷兩種散熱系統(tǒng)的運(yùn)行情況對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。水冷相對(duì)于風(fēng)冷主要優(yōu)點(diǎn)就是設(shè)備對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)能力明顯高出許多，比如潮濕、風(fēng)沙、鹽霧腐蝕等，同時(shí)水冷散熱效率高且無噪音，但水冷相對(duì)于風(fēng)冷也有不足，主要是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高。綜合考慮，水冷散熱系統(tǒng)型SVG更適合地處于高海拔、低溫、揚(yáng)沙環(huán)境等惡劣環(huán)境的風(fēng)電場(chǎng)。