MCR型動補在風(fēng)電場應(yīng)用

1、MCR型動補在風(fēng)電場的應(yīng)用主要內(nèi)容n風(fēng)電場無功來源與特點n我國風(fēng)電場接入電網(wǎng)無功標準n簡介幾種主流的并網(wǎng)型風(fēng)電機組n風(fēng)電場無功電壓問題解決方案nMCR型SVC裝置介紹n簡介幾種主要的風(fēng)電場或變電站電壓無功調(diào)節(jié)裝置風(fēng)電場無功來源與特點n從圖中可以看出無功主要來自風(fēng)機機組、箱變以及主變，風(fēng)機機組的自然無功消耗為機組容量的25%-60%，箱變的無功消耗大約為箱變?nèi)萘康?%-5%，主變的無功消耗大約為主變?nèi)萘康?%-9%，不同的機型，不同的變壓器數(shù)據(jù)會有所差別，線路較長的場合，線路的消耗也有必要考慮。n隨機性強、變化頻率高、波動范圍大、變化速度快是風(fēng)電場無功波動的特點（著重小風(fēng)段）中國電網(wǎng)接入電壓無功

2、標準n我國電網(wǎng)的電壓無功標準類似于德國與美國的標準，要求風(fēng)力發(fā)電機組的功率因數(shù)任意時刻都大于0.95;對風(fēng)電場的功率因數(shù)考核采用四象限運行的方式，就是說在小風(fēng)的情況下，風(fēng)電場被認為是用戶，這一標準是比較嚴格的（在東北電網(wǎng)已實施）。幾種主流的并網(wǎng)型風(fēng)電機組第一代并網(wǎng)風(fēng)機：定槳第一代并網(wǎng)風(fēng)機：定槳 定速型定速型 異步異步 風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)力發(fā)電機組n拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)n主要特點主要特點n并網(wǎng)運行特性并網(wǎng)運行特性第二代并網(wǎng)風(fēng)機：變槳第二代并網(wǎng)風(fēng)機：變槳 變速型變速型 雙饋雙饋 風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)力發(fā)電機組n拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)n主要特點主要特點n并網(wǎng)特性并網(wǎng)特性第三代并網(wǎng)風(fēng)機：變槳第三代并網(wǎng)風(fēng)機：變槳 變速變速

3、 直驅(qū)型直驅(qū)型 永磁同步永磁同步 風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)力發(fā)電機組n拓撲結(jié)構(gòu)拓撲結(jié)構(gòu)n主要特點主要特點n并網(wǎng)特性并網(wǎng)特性定槳定槳 定速型定速型 異步異步 風(fēng)力發(fā)電機組風(fēng)力發(fā)電機組 拓撲拓撲葉輪增速齒箱風(fēng)能風(fēng)能 高速機械能高速機械能高速機械能高速機械能 電能電能低壓低壓 高壓高壓改善機組并改善機組并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性、網(wǎng)穩(wěn)態(tài)特性、暫態(tài)特性暫態(tài)特性異步鼠籠式發(fā)電機軟并網(wǎng)升壓變 電網(wǎng)側(cè) 無功補償異步異步異步：指風(fēng)機采用異步鼠籠感應(yīng)式發(fā)電機因為風(fēng)機的異步發(fā)電機通過接觸器直接直接連接電網(wǎng)，因此異步電機的異步電機的電氣特性就是風(fēng)電氣特性就是風(fēng)機的并網(wǎng)電氣特機的并網(wǎng)電氣特性性定槳定槳定槳：指葉片的角度固定不變，不能調(diào)節(jié)；因

4、為定槳距導(dǎo)致葉片的角度不能調(diào)節(jié)，所以葉片吸收的機械能完全由風(fēng)資源情況決定，這意味著定槳風(fēng)定槳風(fēng)機機出力隨風(fēng)的波動而波動，機組自身不能不能調(diào)節(jié)有功功率調(diào)節(jié)有功功率；而只能通過停機的方式控制其出力定速風(fēng)機功率從0kW增大到額定功率750kW，速度從1500rpm變化到1518rpm。因為機組在額定功率以內(nèi)轉(zhuǎn)速變化范圍很小，因此稱其為定速風(fēng)機異步電動機的有功異步電動機的有功-無功關(guān)系無功關(guān)系異步電機在沒有出力的條件下也需要吸收一定的無功功率勵磁，并隨著出力的增大，無功需求也逐漸增加！為保證風(fēng)機與系統(tǒng)之間無功交換最小，因此只要風(fēng)機并網(wǎng)，就要投入一定的無功補償，無功補償隨著機組處出力的增加而增大變槳變槳

5、 變速型變速型 雙饋雙饋 風(fēng)力發(fā)電機組拓撲風(fēng)力發(fā)電機組拓撲葉輪增速齒箱風(fēng)能風(fēng)能 高速機械能高速機械能高速機械能高速機械能 電能電能低壓低壓 高壓高壓雙饋式感應(yīng)發(fā)電機升壓變 電網(wǎng)側(cè) 定子線圈定子線圈直接連接電網(wǎng)，能量占額定容量75%以上轉(zhuǎn)子線圈轉(zhuǎn)子線圈通過變流器連接電網(wǎng)，能量占額定容量25%以下Crowbar 電阻電阻，防止變流器過流防止變流器過流變槳變槳n葉片角度可以調(diào)，一般采用液壓系統(tǒng)或電控系統(tǒng)控制。能夠控制葉片吸收的風(fēng)能，因此變槳距風(fēng)機通過調(diào)節(jié)葉通過調(diào)節(jié)葉片角度控制有功功片角度控制有功功率率雙饋 指風(fēng)機采用雙饋式感應(yīng)電動機，該類型電機是在鼠籠式感應(yīng)電動機基礎(chǔ)上發(fā)展而來，主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子線圈上

6、，雙饋電機的轉(zhuǎn)子采用線圈引出線的方式（取代了鼠籠式電機轉(zhuǎn)子上的閉環(huán)銅線或鋁線），該線圈通過變流器并網(wǎng)，而定子線圈直接并網(wǎng)。變流器通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子上的磁場轉(zhuǎn)速的方式來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速以上時，定子和變流器都向電網(wǎng)送電，當電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速在同步轉(zhuǎn)速以下時，定子線圈向電網(wǎng)送電，轉(zhuǎn)子線圈從電網(wǎng)吸收電能，但整體表現(xiàn)是向電網(wǎng)送電。受雙饋電機自身的電氣特性決定，轉(zhuǎn)子理論上最大的能量調(diào)節(jié)范圍為電機額定容量的25%，因此一般變流器的容量為電機額定容量的25%30%。定子需要勵磁電流，可以通過變流器的轉(zhuǎn)子側(cè)進行勵磁控制，所以雙饋電機不需要額外的無功補償裝置，可以在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)機組輸出在一定范圍內(nèi)調(diào)

7、節(jié)機組輸出的無功功率的無功功率（由變流器容量和控制決定）雙饋感應(yīng)電機特性及調(diào)速雙饋電機雙饋電機 功率功率-滑差特性曲線滑差特性曲線-3.5-3-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.533.5-0.08-0.07-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.0100.010.020.030.040.050.060.070.08滑差滑差功率（功率（pu）相同的功率不同的轉(zhuǎn)速雙饋電機可以在一定范圍內(nèi)調(diào)速雙饋電機可以在一定范圍內(nèi)調(diào)速變槳寬調(diào)速永磁直驅(qū)機組拓撲變槳寬調(diào)速永磁直驅(qū)機組拓撲全功率變流器全功率變流器葉輪直接驅(qū)葉輪直接驅(qū)動永磁同步動永磁同步發(fā)電機發(fā)電機升壓變壓器升壓變壓

8、器電網(wǎng)電網(wǎng)電壓、電流檢測信號放電電阻風(fēng)能風(fēng)能 電能電能變頻變頻 變幅值變幅值 工頻工頻 690V690V低壓低壓 高壓高壓 并網(wǎng)并網(wǎng)有功控制 基本原理調(diào)節(jié)葉片的角度，風(fēng)機可以實現(xiàn)有功輸出調(diào)節(jié)風(fēng)機可以實現(xiàn)有功輸出調(diào)節(jié)控制葉片旋轉(zhuǎn)速度，風(fēng)機可以實現(xiàn)有功上升速率控制風(fēng)機可以實現(xiàn)有功上升速率控制變槳系統(tǒng)控制風(fēng)機的有功功率變槳系統(tǒng)控制風(fēng)機的有功功率無功功率控制 原理介紹控制原理控制原理風(fēng)機通過全功率變流器控制輸出電壓幅值方式控制與電網(wǎng)的無功交換，采用全功率變流器，無功調(diào)節(jié)范圍寬，機組具備一定電壓調(diào)節(jié)能力無功調(diào)節(jié)范圍寬，機組具備一定電壓調(diào)節(jié)能力.在暫態(tài)過程中，機組送在暫態(tài)過程中，機組送出的容性無功電流可以

9、達到機組額定電流的出的容性無功電流可以達到機組額定電流的100%100% ，響應(yīng)時間ms電壓無功問題解決方案n增大風(fēng)電機組無功容量增大風(fēng)電機組無功容量(如如GE Wind, Vestas, NEG Micon,蘇司蘭蘇司蘭, 新金風(fēng)新金風(fēng)750)n升壓站升壓站動態(tài)無功補償動態(tài)無功補償(SVC/STATCOM) 機組內(nèi)部電壓無功問題解決方案n金風(fēng)公司750kw機組新配置25+50+100+100+200kvar+25kvar MCR SVC裝置補償精度：+/-3kvar響應(yīng)速度：20ms在無功補償方面的性能優(yōu)于所有上述廠家MCR型動補-系統(tǒng)組成控制器M負載MCRFC濾波器MCR型動補-原理介紹N

10、kNT1T2U系統(tǒng)原理鐵心結(jié)構(gòu)MCR型動補-原理介紹只要通過改變可控硅相角，就可以連續(xù)改變B-H曲線上的B值，從而改變H值，進而改變電流值。B-H曲線，當B值小于1.7T時斜率很大，之后斜率很小，B值得微小改變，可以換來H值的大幅變化，為了看起來方便，右圖對1.7T以后的斜率進行了縮小，實際的曲線有平得多。磁通密度B或磁化強度M磁場強度HMCR原理-控制特性MCR原理-關(guān)于可靠性n可控硅只承受1%的電壓，在35KV系統(tǒng)里只承受不到400V電壓，無需任何器件串聯(lián)，控制電流不大于設(shè)備額定電流，無需任何器件并聯(lián)，因此采用低壓可控硅模塊，系統(tǒng)簡單、設(shè)計裕量大、可靠性極高。n整個系統(tǒng)幾乎都由銅鐵組成，主

11、回路沒有任何電子元器件。n沒有機械開關(guān)頻繁動作，可靠性高，壽命長。MCR原理-關(guān)于損耗n除磁閥之外，其余所有鐵心的工作狀態(tài)同變壓器一樣，不進入飽和區(qū)，損耗較低，磁閥部分損耗較高，但占鐵心重量的比重僅為2-5%。n由于電抗器只有一個繞組，因此，繞組損耗不大于相同容量變壓器。nMCR-磁閥控制電抗器與傳統(tǒng)的飽和電抗器的概念發(fā)生了根本的改變，總體損耗已經(jīng)大大下降，額定損耗約為總?cè)萘康?.6-1.8%，不高于其他形式的動補。n有人覺得MCR損耗高，主要是不了解現(xiàn)在的原理的改變，以及MCR型動補所有損耗都集中于本體，而不象其他形式的動補，損耗分散于電抗器、閥組、吸收電路、冷卻系統(tǒng)等多個部分，單獨某一個部

12、分損耗可能不高，但累計損耗較高。磁閥MCR原理-關(guān)于諧波諧波特性1、3次諧波角接可以消除。2、5次諧波約為額定電流的2.5%，7次諧波電流約為1.5%3、諧波電流不到TCR的50%。MCR原理-響應(yīng)速度n從右圖可以看出可以MCR實現(xiàn)20ms的開環(huán)響應(yīng)速度。n風(fēng)電場的補償對響應(yīng)速度的要求并不是很高，有幾十毫秒足夠了。MCR動補在風(fēng)電場應(yīng)用的優(yōu)勢n系統(tǒng)簡單、可靠性高、維護工作量小，而且這些優(yōu)點的獲得是原理性的，而非工藝性的。這對運行環(huán)境差、維護力量薄弱的風(fēng)電場來說是非常重要的。n占地面積小，基建費用低，節(jié)約總體造價。n全室外安裝，容易適應(yīng)高寒、高海拔、大風(fēng)沙的惡劣環(huán)境。MCR動補在風(fēng)電場應(yīng)用的方法

13、n全容量動補，MCR與電容器組同容量，全范圍無開關(guān)動作實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。新建的很多場合使用這種方式。n分段動補，可以將電容器組分為兩組或多組，同時安裝一組電容器容量的MCR，可以實現(xiàn)分段動態(tài)連續(xù)調(diào)節(jié)，由于風(fēng)電場的無功波動工況一般不會頻繁極大范圍波動，因此在很多場合分兩組還是有合理性的，也有不少業(yè)主選用這種方案。n感性調(diào)節(jié)的實現(xiàn)，MCR發(fā)容量，只要電容器組與MCR可以獨立投切就可以了，將電容期組切除，就可以得到，優(yōu)質(zhì)的感性無功電源。MCR動補的應(yīng)用-分組示意圖MCR型SVC系統(tǒng)構(gòu)成日常操作分合閘操作nMCR合閘操作：合閘操作：n合閘前應(yīng)確認隔離刀閘位置正確，確認控制屏內(nèi) “啟動/停止”轉(zhuǎn)換開關(guān)置

14、于停止位置，“手動/自動”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于手動位置，按下控制屏內(nèi)的MCR合閘按鈕或于主監(jiān)控機上遙控操作即可完成合閘操作。n MCR分閘操作：分閘操作：n分閘前應(yīng)先將“啟動/停止”轉(zhuǎn)換開關(guān)置于停止位置，觀察MCR電流降至空載電流后，按下控制屏內(nèi)的MCR分閘按鈕或于主監(jiān)控機上遙控操作即可完成分閘操作。如需在MCR本體進行相關(guān)工作時，還需要將隔離刀閘斷開，合上接地刀閘。MCR裝置的運行狀態(tài)nMCR停止狀態(tài)停止狀態(tài)n控制屏內(nèi)起動/停止旋鈕指向停止位置，為MCR停止狀態(tài)，正常狀況下，投切MCR，設(shè)置參數(shù)，切換運行狀態(tài)均應(yīng)在停止狀態(tài)下進行操作n廠家調(diào)試模式廠家調(diào)試模式n在此種模式下，控制屏內(nèi)上述三個旋鈕分別位

15、于啟動，調(diào)試，手動狀態(tài)。此模式專用于廠家進行MCR的調(diào)試，調(diào)試完成后，就可退出此工況。n手動運行模式手動運行模式n在此種模式下，控制器三個觸點分別位于啟動，運行，手動狀態(tài)。MCR根據(jù)設(shè)定的參數(shù)調(diào)節(jié)輸出容量，但不能自動投切電容器組，需要運行人員監(jiān)控當前的無功狀況，根據(jù)需要手動投切電容器組。n自動運行模式自動運行模式n在此種模式下，控制屏內(nèi)上述三個旋鈕分別位于啟動，運行，自動狀態(tài)。MCR當前的無功狀況，自動調(diào)節(jié)輸出容量。日常巡視日常巡視nMCR型動態(tài)無功補償裝置為自動無功補償裝置，由MCR和電容器組配合，對升壓站接入系統(tǒng)點（高壓側(cè)）的無功功率進行自動控制，以達到接入點無功交換最小。n對運行的MCR

16、設(shè)備進行巡視檢查是很重要的，可以及時發(fā)現(xiàn)缺陷及時處理，預(yù)防事故的發(fā)生。n電壓巡視：MCR運行電壓最好不超過額定電壓的1.05倍；n電流巡視：MCR電流是根據(jù)220kV側(cè)的無功狀況，自動調(diào)節(jié)，一般不可超過額定電流的1.2倍額定電流；場地巡視n油枕指示的油位油色正常，無滲漏現(xiàn)象nMCR本體無滲漏，呼吸器正常，變色硅膠顏色改變不得超過1/3nMCR聲音隨著電流的變化有所變化，由于MCR電流隨無功變化隨時變化，所以MCR聲音也會隨時變化，但不應(yīng)有不均勻的爆裂聲或放電聲n油溫正常，各散熱器溫度接近n瓦斯繼電器內(nèi)無氣體，繼電器與油枕連接閥應(yīng)打開n壓力釋放閥應(yīng)完好無損n特殊天氣、溫度突變時應(yīng)及時檢查油枕指示

17、的油面變化情況n與MCR本體連接的勵磁單元等設(shè)備應(yīng)牢固、完好n設(shè)備連接點無發(fā)熱、火花放電或電暈放電等現(xiàn)象MCR異常狀況處理nMCR智能控制器提供了多種故障識別和保護，按故障級別可分為輕微故障、一般故障和嚴重故障。本現(xiàn)場控制器本身提供電鈴鳴警，也向綜合保護系統(tǒng)提供了監(jiān)視MCR系統(tǒng)運行的數(shù)字信號輸出觸點，綜合保護系統(tǒng)的音響也能鳴警，運行人員可通過MCR監(jiān)控上位機讀取MCR故障類型。故障分類-電量保護n電流保護：電流保護：包括過流1段故障，過流2段故障，負序故障和失控故障。除過流1段不可恢復(fù)外，其他電流故障均可自行恢復(fù)。n電壓保護：電壓保護：包括三類故障，分別是過壓故障、欠壓故障和缺相故障。當系統(tǒng)電

18、壓正常后，該故障可自行恢復(fù)。n過載保護：過載保護：該保護是對MCR的視在功率的保護，級別較低，實時性也很低。當發(fā)生過載故障時，系統(tǒng)只是簡單的亮燈以示警告，同時將通過自身的降容措施來降低功率輸出。MCR本體非電量保護n溫度保護：溫度保護：分過溫1，過溫2和過溫3三個級別，其中過溫1一般不屬于故障類型，只是提示啟動散熱風(fēng)扇，過溫2將進行降容處理，過溫3最為嚴重，這三個信號都是從MCR本體上傳輸過來的開關(guān)信號。n瓦斯保護：瓦斯保護：分為重瓦斯（包含壓力釋放）和輕瓦斯兩個級別，都是從MCR本提上傳輸過來的開關(guān)信號，其中重瓦斯動作時MCR將跳閘。故障分類-控制系統(tǒng)保護n誤操作：誤操作：當面板上的旋鈕開關(guān)

19、打到自動運行時，此時MCR本體應(yīng)該已經(jīng)投上。如果此時MCR處于斷開狀態(tài)，將報誤操作故障。該故障可自恢復(fù)。n當勵磁控制器異常時，將反饋給主控制器一個錯誤信號，三相勵磁控制器任何一個發(fā)生異常，主控將封死三相勵磁的脈沖。此故障是不可自恢復(fù)的，必須通過人工復(fù)位來恢復(fù)正常。故障處理過壓故障、欠壓故障、缺相故障、過流2故障、負序故障、失控故障、過溫1故障、過溫2故障、輕瓦斯故障、過載故障、誤操作故障都是可自恢復(fù)的，當控制系統(tǒng)檢測到工況已經(jīng)恢復(fù)正常則可自動繼續(xù)正常運行。其中過溫1和過載屬于最輕微的故障，發(fā)生時只點亮報警燈，故障燈正常。接觸器故障、控制器異常（勵磁故障）、過溫3故障是不可自恢復(fù)的。需要用戶故障

20、復(fù)位才能恢復(fù)系統(tǒng)正常。在外界排除了故障之后，比如過溫3常開觸點已經(jīng)恢復(fù)打開狀態(tài)，按下故障復(fù)位按鈕即可使控制系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。最嚴重的故障類型是過流1故障和重瓦斯故障，控制器將跳閘將MCR強行從系統(tǒng)中切下。用戶必須在手動狀態(tài)下，通過面板上的MCR合閘按鈕或主監(jiān)控機重新投上MCR，再按下故障復(fù)位按鈕，才能使系統(tǒng)恢復(fù)正常。STATCOM原理與特點n是通過改變并聯(lián)于電網(wǎng)的一臺逆變電源與電網(wǎng)的相角差來實現(xiàn)無功的調(diào)節(jié)的，安裝于上圖中的類似箱式變里的就是逆變電源，是STATCOM的核心部分。nSTATCOM的技術(shù)性能在各種動補里是最先進的，感性/容性雙向調(diào)節(jié)，而且響應(yīng)速度極快，噪聲小，諧波小，占地面積小。n

21、目前包括 ABB，SIEMENS，ALSTON等幾家公司和國內(nèi)的思源（清華大學(xué)技術(shù)）可以提供這一產(chǎn)品，國內(nèi)技術(shù)不比國外差多少。nSTATCOM雖然先進，但系統(tǒng)非常復(fù)雜，維護非常困難，專業(yè)性極強，全部功率器件均為IGBT或IGCT，數(shù)量繁多，直接連入主回路，處理全部功率，相對脆弱而且十分昂貴，由于模塊的動態(tài)均壓比較困難，而且35KV系統(tǒng)還需要升壓變壓器，因此，我們認為在風(fēng)電場的適用性是有待商榷的。更適合用于對響應(yīng)速度要求極高，維護力量強大的電弧爐以及樞紐變電站等場合，國外一般也是這樣使用。n至于在電網(wǎng)電壓發(fā)生跌落時，STATCOM的無功容量下降較慢，可以更好的支持電壓，這一作用幾乎可以忽略，因為

22、動補設(shè)備的電壓調(diào)節(jié)作用是通過短路阻抗形成的，這么小容量的動補設(shè)備，對電壓支撐的作用只有2-3個百分點，沒有實質(zhì)的意義。變電站TCR型動補TCR動補原理TCR動補的特點nTCR是通過改變可控硅的相角來實現(xiàn)對空心電抗器的容量調(diào)整的，業(yè)績最多，比較成熟，與STATCOM比起來，可靠性還是要高一些，系統(tǒng)也簡單一點。n不過，一套35KV系統(tǒng)的晶閘管數(shù)量達到100多只，處理全部容量，直接聯(lián)于主回路，幾十只晶閘管串聯(lián)，因此可靠性等級還是比較低的，這也是國際上的共識。n另外，諧波含量大，損耗較大，散熱系統(tǒng)比較復(fù)雜，占地面積大，電磁污染比較嚴重，基建成本較高等都是TCR的大家熟知的一些特點。n國內(nèi)的鞍山榮信、中國電科院分別是熱管冷卻、脈沖變壓器觸發(fā)和水冷卻、高電位取電兩條技術(shù)路線的領(lǐng)頭羊，泰開、鞍山力德、株洲所等也都有能力提供設(shè)備。ABB是世界上的領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)，占全世界市場份額的60%以上。比較項目MCR型SVCTCR型SVC可控硅響應(yīng)時間小于10ms小于10ms整機響應(yīng)時間小于100