MCR型動補在風電場應用

MCR型動補在風電場的應用主要內(nèi)容風電場無功來源與特點我國風電場接入電網(wǎng)無功標準簡介幾種主流的并網(wǎng)型風電機組風電場無功電壓問題解決方案MCR型SVC裝置介紹簡介幾種主要的風電場或變電站電壓無功調(diào)節(jié)裝置風電場無功來源與特點從圖中可以看出無功主要來自風機機組、箱變以及主變，風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。隨機性強、變化頻率高、波動范圍大、變化速度快是風電場無功波動的特點（著重小風段）中國電網(wǎng)接入電壓無功標準我國電網(wǎng)的電壓無功標準類似于德國與美國的標準，要求風力發(fā)電機組的功率因數(shù)任意時刻都大于0.95;對風電場的功率因數(shù)考核采用四象限運行的方式，就是說在小風的情況下，風電場被認為是用戶，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)型風電機組第一代并網(wǎng)風機：定槳定速型異步風力發(fā)電機組拓撲結(jié)構(gòu)主要特點并網(wǎng)運行特性第二代并網(wǎng)風機：變槳變速型雙饋風力發(fā)電機組拓撲結(jié)構(gòu)主要特點并網(wǎng)特性第三代并網(wǎng)風機：變槳變速直驅(qū)型永磁同步風力發(fā)電機組拓撲結(jié)構(gòu)主要特點并網(wǎng)特性定槳定速型異步風力發(fā)電機組拓撲葉輪增速齒箱風能

→高速機械能高速機械能→電能低壓→高壓改善機組并網(wǎng)穩(wěn)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：指風機采用異步鼠籠感應式發(fā)電機 因為風機的異步發(fā)電機通過接觸器直接連接電網(wǎng)，因此異步電機的電氣特性就是風機的并網(wǎng)電氣特性定槳定槳：指葉片的角度固定不變，不能調(diào)節(jié)； 因為定槳距導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資源情況決定，這意味著定槳風機出力隨風的波動而波動，機組自身不能調(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，因此稱其為定速風機異步電動機的有功--無功關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！為保證風機與系統(tǒng)之間無功交換最小，因此只要風機并網(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速型雙饋風力發(fā)電機組拓撲葉輪增速齒箱風能

→高速機械能高速機械能→電能低壓→高壓雙饋式感應發(fā)電機升壓變電網(wǎng)側(cè)定子線圈直接連接電網(wǎng)，能量占額定容量75%以上轉(zhuǎn)子線圈通過變流器連接電網(wǎng)，能量占額定容量25%以下Crowbar電阻，防止變流器過流變槳葉片角度可以調(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能，因此變槳距風機通過調(diào)節(jié)葉片角度控制有功功率雙饋指風機采用雙饋式感應電動機，該類型電機是在鼠籠式感應電動機基礎上發(fā)展而來，主要區(qū)別在轉(zhuǎn)子線圈上，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)機組輸出的無功功率（由變流器容量和控制決定）雙饋感應電機特性及調(diào)速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)速變槳寬調(diào)速永磁直驅(qū)機組拓撲全功率變流器葉輪直接驅(qū)動永磁同步發(fā)電機升壓變壓器電網(wǎng)電壓、電流檢測信號放電電阻風能→電能變頻變幅值

→工頻690V低壓→高壓

并網(wǎng)有功控制基本原理調(diào)節(jié)葉片的角度，風機可以實現(xiàn)有功輸出調(diào)節(jié)控制葉片旋轉(zhuǎn)速度，風機可以實現(xiàn)有功上升速率控制

變槳系統(tǒng)控制風機的有功功率無功功率控制原理介紹控制原理風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.在暫態(tài)過程中，機組送出的容性無功電流可以達到機組額定電流的100%

，響應時間ms電壓無功問題解決方案增大風電機組無功容量(如GEWind,Vestas,NEGMicon,蘇司蘭,新金風750)升壓站動態(tài)無功補償(SVC/STATCOM)機組內(nèi)部電壓無功問題解決方案金風公司750kw機組新配置

25+50+100+100+200kvar+25kvarMCRSVC裝置 補償精度：+/-3kvar

響應速度：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MCR型動補-原理介紹系統(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-關于可靠性可控硅只承受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、設計裕量大、可靠性極高。整個系統(tǒng)幾乎都由銅鐵組成，主回路沒有任何電子元器件。沒有機械開關頻繁動作，可靠性高，壽命長。MCR原理-關于損耗除磁閥之外，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%。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。MCR-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。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，單獨某一個部分損耗可能不高，但累計損耗較高。磁閥MCR原理-關于諧波諧波特性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-響應速度從右圖可以看出可以MCR實現(xiàn)20ms的開環(huán)響應速度。風電場的補償對響應速度的要求并不是很高，有幾十毫秒足夠了。MCR動補在風電場應用的優(yōu)勢系統(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、維護力量薄弱的風電場來說是非常重要的。占地面積小，基建費用低，節(jié)約總體造價。全室外安裝，容易適應高寒、高海拔、大風沙的惡劣環(huán)境。MCR動補在風電場應用的方法全容量動補，MCR與電容器組同容量，全范圍無開關動作實現(xiàn)連續(xù)動態(tài)調(diào)節(jié)。新建的很多場合使用這種方式。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。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動補的應用-分組示意圖MCR型SVC系統(tǒng)構(gòu)成日常操作——分合閘操作MCR合閘操作：合閘前應確認隔離刀閘位置正確，確認控制屏內(nèi)“啟動/停止”轉(zhuǎn)換開關置于停止位置，“手動/自動”轉(zhuǎn)換開關置于手動位置，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。MCR分閘操作：分閘前應先將“啟動/停止”轉(zhuǎn)換開關置于停止位置，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)MCR停止狀態(tài)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，設置參數(shù)，切換運行狀態(tài)均應在停止狀態(tài)下進行操作廠家調(diào)試模式在此種模式下，控制屏內(nèi)上述三個旋鈕分別位于啟動，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。手動運行模式在此種模式下，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。自動運行模式在此種模式下，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MCR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。對運行的MCR設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，預防事故的發(fā)生。電壓巡視：MCR運行電壓最好不超過額定電壓的1.05倍；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；場地巡視油枕指示的油位油色正常，無滲漏現(xiàn)象MCR本體無滲漏，呼吸器正常，變色硅膠顏色改變不得超過1/3MCR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，但不應有不均勻的爆裂聲或放電聲油溫正常，各散熱器溫度接近瓦斯繼電器內(nèi)無氣體，繼電器與油枕連接閥應打開壓力釋放閥應完好無損特殊天氣、溫度突變時應及時檢查油枕指示的油面變化情況與MCR本體連接的勵磁單元等設備應牢固、完好設備連接點無發(fā)熱、火花放電或電暈放電等現(xiàn)象MCR異常狀況處理MCR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段不可恢復外，其他電流故障均可自行恢復。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)電壓正常后，該故障可自行恢復。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信號。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)保護誤操作：當面板上的旋鈕開關打到自動運行時，此時MCR本體應該已經(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。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的，必須通過人工復位來恢復正常。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的，當控制系統(tǒng)檢測到工況已經(jīng)恢復正常則可自動繼續(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故障是不可自恢復的。需要用戶故障復位才能恢復系統(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)恢復打開狀態(tài)，按下故障復位按鈕即可使控制系統(tǒng)恢復正常運行。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，再按下故障復位按鈕，才能使系統(tǒng)恢復正常。STATCOM原理與特點是通過改變并聯(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。STATCOM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)，而且響應速度極快，噪聲小，諧波小，占地面積小。目前包括ABB，SIEMENS，ALSTON等幾家公司和國內(nèi)的思源（清華大學技術(shù)）可以提供這一產(chǎn)品，國內(nèi)技術(shù)不比國外差多少。STATCOM雖然先進，但系統(tǒng)非常復雜，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，我們認為在風電場的適用性是有待商榷的。更適合用于對響應速度要求極高，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。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，因為動補設備的電壓調(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TCR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。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。另外，諧波含量大，損耗較大，散熱系統(tǒng)比較復雜，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。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)路線的領頭羊，泰開、鞍山力德、株洲所等也都有能力提供設備。ABB是世界上的領導企業(yè)，占全世界市場份額的60%以上。比較項目MCR型SVCTCR型SVC可控硅響應時間小于10ms小于10ms整機響應時間小于100ms小于60ms諧波發(fā)生量小,5次<3.0%,7次<1.5%,11次<0.8%,13次<0.3%大,5次:5.0%,7次:2.5%,11次:1.0%,13次:0.7%可控硅兩端承受電壓小,勿需串聯(lián)大,需串聯(lián)可控