滑差式異步發(fā)電機無功補償系統(tǒng)技術(shù)改造

文 | 楊厚繼

滑差式異步發(fā)電機無功補償系統(tǒng)技術(shù)改造

文 | 楊厚繼

滑差式異步風(fēng)電機組通過控制轉(zhuǎn)子電阻、電流調(diào)節(jié)發(fā)電機輸出功率，但不允許無功功率控制。此類發(fā)電機一般在其出口或母線上安裝并聯(lián)電容器組或靜止無功補償器（SVC）進(jìn)行無功補償，但發(fā)電機的無功補償裝置往往因為設(shè)計存在缺陷，需要進(jìn)行技術(shù)改造保證風(fēng)電機組安全、穩(wěn)定的運行。

滑差式異步發(fā)電機RCC控制原理

紅海灣風(fēng)電場地處南海之濱，裝有660kW風(fēng)電機組25臺，風(fēng)電機組采用滑差式異步發(fā)電機，發(fā)電機出口安裝了一套共4組電容器補償裝置，對電網(wǎng)進(jìn)行無功補償。

滑差可調(diào)繞線異步發(fā)電機在轉(zhuǎn)子上外接了一個可變電阻，通過轉(zhuǎn)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(diào)制來控制絕緣柵極雙擊性晶體管的導(dǎo)通和開斷來調(diào)整轉(zhuǎn)子外接電阻的大小，從而控制轉(zhuǎn)子電流。為了調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)而控制發(fā)電機的輸出功率，外接轉(zhuǎn)子電阻可在零至最大值之間變化，使發(fā)電機在滑差率在1%到10%之間變化。

當(dāng)風(fēng)速超過額定風(fēng)速，風(fēng)速不斷變化時，葉輪轉(zhuǎn)速和異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速也在變化，為保持輸出功率額定，異步發(fā)電機的滑差也相應(yīng)變化，通過改變轉(zhuǎn)子外接電阻，從而改變發(fā)電機的轉(zhuǎn)子電阻，來跟隨發(fā)電機滑差變化，當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加時，外接的可變電阻值增大；反之，當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)速降低時，外接的可變電阻減小。滑差式異步發(fā)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(fā)電機不同于雙饋異步發(fā)電機，在輸出有功功率的同時，還必須從電網(wǎng)吸收滯后的無功功率，無功吸取如果不經(jīng)過補償直接并網(wǎng)，對電網(wǎng)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(fā)電機需在其出口或母線上安裝并聯(lián)電容器組或靜止無功補償器（SVC）進(jìn)行無功補償。

風(fēng)電機組在發(fā)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(jìn)行投切。如圖2所示。

圖1 滑差式異步發(fā)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(guān)，當(dāng)補償容量相同時，一般按順序循環(huán)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(dāng)補償電容器每組容量不一樣時，則需根據(jù)補償無功的大小，組合投入。風(fēng)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(fēng)電機組發(fā)電受風(fēng)速影響，在大于切入風(fēng)速（5m/s）且小于切除風(fēng)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(tǒng)要求較高，對電容器損害較大，在實際運行中，風(fēng)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(lián)電容器補償裝置運行狀況

紅海灣風(fēng)電場自2003年投產(chǎn)至今已有十年，通過統(tǒng)計，每年電容器損壞50個左右，相當(dāng)于每臺風(fēng)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(fēng)電機組也不會報故障停機，但是故障電容器繼續(xù)投入運行損壞會越來越嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)極板擊穿而爆炸的現(xiàn)象，所以在巡視或?qū)ｍ棛z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(fēng)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(shè)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(jīng)濟(jì)損失。

2011年4月，一風(fēng)電機組無通訊，運行人員檢查發(fā)現(xiàn)風(fēng)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(fā)現(xiàn)起火原因是電容器投入時，電容器極板被擊穿而發(fā)生爆炸，導(dǎo)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(fēng)電場地處南海之濱，年平均風(fēng)速在6m/s左右，而風(fēng)電機組并網(wǎng)風(fēng)速是5m/s，所以在風(fēng)電機組并網(wǎng)發(fā)電時第一組電容器投切頻繁。風(fēng)速是經(jīng)常變化的，當(dāng)風(fēng)速在并網(wǎng)風(fēng)速和額定風(fēng)速之間時，無功補償裝置會根據(jù)風(fēng)電機組輸出功率的大小，投切電容器組保證功率因數(shù)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(chǎn)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(fēng)電機組控制柜內(nèi)、空間狹小且封閉，沒有散熱系統(tǒng)，空氣不流通，電氣設(shè)備產(chǎn)生的熱量無法排除，況且風(fēng)電場地處南方，溫度較高，特別在夏季，天氣炎熱，柜內(nèi)最高溫度可達(dá)50度，嚴(yán)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(wǎng)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(diào)節(jié)諧波的電抗器，無法起到調(diào)諧濾波補償作用，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)高次諧波時，其產(chǎn)生的過電壓很容易擊穿電容器，如果持續(xù)的時間比較長的話，過電流產(chǎn)生大量的熱量極易造成電容器爆炸。

（二）鼓肚和內(nèi)部游離：電容器運行時內(nèi)部產(chǎn)生電暈、擊穿放電和嚴(yán)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(xué)、電氣效應(yīng)，使絕緣加速老化、分解，產(chǎn)生氣體，形成惡性循環(huán)，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(guān)斷開的情況下將電容器放電1min后才能進(jìn)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(guī)定容量在160kvar以上的電容器組，應(yīng)裝設(shè)無壓時自動跳閘裝置，并規(guī)定電容器組的開關(guān)不允許裝設(shè)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(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(fēng)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(shè)計上存在的缺陷也是造成事故發(fā)生的重要原因。

（1）根據(jù)無功補償電容器的安裝尺寸，我們設(shè)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(fā)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(tǒng)。散熱系統(tǒng)安裝在獨立的電容器柜內(nèi)，當(dāng)溫度超過30度時，風(fēng)扇在繼電器的控制下啟動，保證柜內(nèi)溫度較低，空氣流通，為電容器運行提供良好的環(huán)境。

（3）增加動力電纜防火隔斷阻燃裝置。在風(fēng)電機組塔筒底部的動力電纜進(jìn)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(nèi)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(xù)蔓延，有效的保護(hù)其他電器元件。

（4）加強風(fēng)電機組運行監(jiān)控工作。加強對風(fēng)電機組電流、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)的監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)電容器損壞造成電流不平衡的現(xiàn)象，及時通知檢修人員更換電容器，保證風(fēng)電機組安全穩(wěn)定運行。

（5）加強電容器組巡視工作。電容器出現(xiàn)漏油、鼓肚現(xiàn)象等現(xiàn)象，基本可以判斷電容器已經(jīng)損壞，如果出現(xiàn)保護(hù)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(yīng)加強巡視，及時發(fā)現(xiàn)隱患，防止事故發(fā)生，特別是夏季，電容器投切更頻繁，應(yīng)增加巡視次數(shù)，天氣異常情況下，增加特別巡視。

結(jié)語

無功補償裝置改造后，電容器損壞數(shù)量明顯減少，也未發(fā)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(fēng)電場帶來了良好的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是使風(fēng)電機組運行更安全、可靠。

(作者單位：神華國華（陸豐）風(fēng)電有限公司)