杏花山風電場SVG型動態無功補償裝置不同冷卻方式運行分析

張向東，龐俊強

(國家能源集團國華投資有限公司河北分公司，河北 張家口 076750)

SVG型動態無功補償裝置在風力發電場大量使用，其功率單元IGBT模塊發熱量大，常用的冷卻方式有水冷散熱系統與風冷散熱系統。

1 工程概況

杏花山99 MW風電場工程位于河北省張家口市尚義縣境內東部，風電場中心地理位置為東經114°16′，北緯41°10′，平均海拔高程約1 520 m。屬東亞大陸性季風氣候中溫帶亞干旱區，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，積雪期長達4個多月，大于6級風日數70 d。

杏花山風電場建設30臺3.3 MW機組，開發容量為99 MW。該工程配置有兩套SVG型動態無功補償裝置，分別為不同廠家、不同冷卻方式的無功補償裝置。

一套為直掛式水冷SVG型動態無功補償裝置，由思源清能電氣電子有限公司生產，型號為QNSVG-28/35-CW，在SVG集裝箱內布置，于2020年12月投運。投運一年多來，運行比較穩定，其間升級過監控系統軟件，未發生故障跳閘現象。

另一套是降壓式風冷SVG型動態無功補償裝置，由山東泰開電力電子有限公司生產，型號為TKSVG 35/10-17M(8.5+8.5)，在SVG室內布置，于2012年11月投運。后于2020年11月對SVG無功補償裝置進行高低穿改造，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、功率單元進行返廠升級、更換閉環霍爾傳感器及采集回路、冷卻風機增加變頻功能并修改控制回路和保護參數、更換功率單元絕緣導軌、更換功率柜防塵棉等。

2 SVG型動態無功補償裝置水冷系統介紹

2.1 水冷系統工作原理

水冷SVG型動態無功補償裝置散熱方式為水冷散熱，密閉水冷卻系統的工作原理如圖1所示，通過水冷板將IGBT產生的熱量交換至冷卻介質(通常是乙二醇水溶液)中，冷卻介質在泵的壓力作用下沿管路流經換熱器，并通過戶外水風換熱器實現第二次熱量交換，降低冷卻介質溫度，冷卻后的介質再次流回SVG閥組部分，循環工作。冷卻系統動力元件(泵、風機等)的啟停和各傳感器的反饋信號通過PLC統一處理， 并在人機界面上顯示。

圖1 SVG水冷系統工作原理

2.2 水冷系統結構組成

圖2 SVG水冷系統循環原理

水冷卻系統根據各部分功能不同主要由以下幾個部分構成:主循環冷卻回路、去離子回路、控制與保護、水-風換熱器和其他輔助組件等，如圖2所示。

2.2.1 主循環冷卻回路。冷卻介質在主循環泵動力作用下，帶走水冷板中熱量，熱介質通過換熱設備進行二次散熱后，再回流主循環回路。主循環回路設置2臺主循環泵，1用1備，工作模式為輪換工作，可定時自動切換和手動切換，工作時間可通過觸摸屏設置。

2.2.2 去離子回路。去離子回路是并聯于主循環回路的支路，主要由離子交換器及相關附件組成，對主循環回路中的部分介質進行純化。通過對冷卻水中離子的不斷脫除，達到長期維持極低電導率的目的。

圖3 SVG水冷系統水泵電氣原理

2.3 水冷系統控制與保護

水冷系統具有IGBT單元閥室的溫濕度檢測功能，并通過與水溫的計算，具備結露預警和跳閘功能，并可向SVG控制系統發出預警和跳閘信號。從而實現對水冷系統的監控與保護，將水冷系統的工作狀況上傳給主控制器，實現對水冷系統的遠程控制。水-風換熱器：風機的起停組群由PLC根據溫度傳感器發出的指令控制。其主要設備包括盤管、散熱翅片和風機等。

3 SVG型動態無功補償裝置風冷系統介紹

3.1 風冷系統工作原理

風冷SVG型動態無功補償裝置布置在SVG室內，散熱方式為風冷散熱，風冷系統由散熱風機和控制電路組成。冷空氣由功率柜進風口進入，帶走功率柜內功率模塊IGBT產生的熱量，經過冷卻風扇從功率柜頂部的風道排至室外，SVG室內形成負壓，室外冷空氣由SVG室墻上的通風口進入室內，如此往復循環，能夠保證環境溫度穩定在SVG裝置正常工作所需范圍內。

3.2 風冷系統結構組成

圖4 SVG功率柜內部示意

SVG風冷系統由12個冷卻風扇和1面控制柜組成，控制柜內布置有變頻器、PLC、風機控制回路等，12個風扇依次布置在功率柜頂部，功率柜正面布置有進風口，PLC通過溫度傳感器采集功率柜內溫度信號，發出冷卻風扇啟?？刂浦噶睢?/p>

3.3 控制與保護

風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，根據溫度調整變頻器輸出，節約場用電。另外風機停止后，SVG設備閉鎖不跳閘，在現場切換站用變或者交流電源臨時故障時能夠避免SVG跳閘，減少不必要的停電次數。

圖5 SVG風冷系統風扇控制回路

4 SVG風冷系統與水冷系統運行對比分析

杏花山風電場兩套SVG型動態無功補償裝置所處運行環境相同。通過一年多的運行對比觀察，分析兩套無功補償裝置不同冷卻方式的優缺點。

4.1 水冷系統優缺點分析

SVG型動態無功補償裝置水冷系統能夠保證裝置在各種額定的環境條件下適應IGBT單元閥組的各種運行工況，可以長期穩定運行。在全站停電檢修期間，對SVG裝置功率模塊進行定期維護過程中發現裝置內部功率模塊相對比較干凈、積灰較少。但是還存在以下幾方面需要關注的薄弱點。

4.1.1 水冷系統冷卻液泄漏。在投運前裝置調試過程中發生過一次冷卻液少量泄漏情況，隨后及時檢查清理。后續一年多來未發生因變形、泄漏、異常振動和其他影響IGBT單元閥組正常工作的缺陷。

4.1.2 水冷系統的防凍設計。風電場所處區域冬季大風、氣溫至-30 ℃，水冷系統所用的冷卻介質為乙二醇水溶液，最低冰點達到-60 ℃。2020年經過一個冬季，水冷系統穩定運行，未發生異常，但仍需要定期測試冷卻液冰點是否合格。

4.1.3 冷卻液補充頻率。并網初期對水冷系統進行過一次全面檢查并完成補液。到目前為止，液位未降至警戒線以下，通過定期巡視，預計補液周期在2年左右。

4.1.4 水冷系統設備穩定性。經過一年多的運行觀察，水冷系統主循環冷卻回路、去離子回路、控制與保護、水-風換熱器和其他輔助組件等均能可靠運行，其間出現過一次故障，手動復位后恢復正常。

4.2 風冷系統優缺點分析

SVG型動態無功補償裝置風冷系統結構簡單、便于日常巡視維護，故障率低，同時也能達到功率模塊對環境溫度的要求。但是存以下薄弱點。

圖6 SVG風冷功功率模塊布置

①通過強制風冷將SVG功率模塊產生熱量帶走，在空氣交換過程中，SVG室進風量需求大，導致SVG室內部容易吸入雨雪，影響設備安全和穩定運行。②正常情況下室內空氣會持續在SVG柜內外循環，運行一段時間，會逐漸將灰塵積累到SVG內部裝置。變電站所處區域春季風沙大，特別是2021年連續幾次的沙塵暴天氣，SVG室通風濾網因灰塵大導致通風效果差，造成室內負壓較大。室內地面及屏柜上有明顯積灰，需要對SVG室內通風濾網及功率柜濾網進行定期清理。③在SVG裝置無功出力較大時，產生熱量較多，室風冷風扇全部運轉，此時室內噪音較大，不利于運維人員檢查SVG功率模塊運行情況。④全站停電檢修期間，對該套SVG裝置功率模塊進行定期維護時，發現功率模塊內部有明顯積灰，需要用吸塵器逐個清理。由于單個功率模塊重量一般都在50 kg以上，在清理過程中，搬運功率模塊一般需要有2人配合，不僅增加了運維人員發生物體打擊的人身安全風險，也增加了功率模塊搬運過程中誤碰光纖或者損壞模塊的設備安全風險。目前，采用風冷系統的SVG可以通過開展通風改造，在保證通風量的前提下，提高SVG室防塵等級，優化SVG室內運行環境。

5 結束語

通過對杏花山99 MW風電場SVG型動態無功補償裝置風冷和水冷兩種散熱系統的運行情況對比分析，發現兩種方式各有優缺點。水冷相對于風冷主要優點就是設備對惡劣環境的適應能力明顯高出許多，比如潮濕、風沙、鹽霧腐蝕等，同時水冷散熱效率高且無噪音，但水冷相對于風冷也有不足，主要是結構復雜、價格高。綜合考慮，水冷散熱系統型SVG更適合地處于高海拔、低溫、揚沙環境等惡劣環境的風電場。