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1、MCR型动补在风电场的应用,北京三得普华科技有限责任公司,主要内容,风电场无功来源与特点我国风电场接入电网无功标准简介几种主流的并网型风电机组风电场无功电压问题解决方案MCR型SVC装置介绍简介几种主要的风电场或变电站电压无功调节装置,风电场无功来源与特点,从图中可以看出无功主要来自风机机组、箱变以及主变，风机机组的自然无功消耗为机组容量的25%-60%，箱变的无功消耗大约为箱变容量的1%-5%，主变的无功消耗大约为主变容量的1%-9%，不同的机型，不同的变压器数据会有所差别，线路较长的场合，线路的消耗也有必要考虑。随机性强、变化频率高、波动范围大、变化速度快是风电场无功波动的特点（着重小风段
2、）,中国电网接入电压无功标准,我国电网的电压无功标准类似于德国与美国的标准，要求风力发电机组的功率因数任意时刻都大于0.95;对风电场的功率因数考核采用四象限运行的方式，就是说在小风的情况下，风电场被认为是用户，这一标准是比较严格的（在东北电网已实施）。,几种主流的并网型风电机组,第一代并网风机：定桨 定速型 异步 风力发电机组拓扑结构主要特点并网运行特性第二代并网风机：变桨 变速型 双馈 风力发电机组拓扑结构主要特点并网特性第三代并网风机：变桨 变速 直驱型 永磁同步 风力发电机组拓扑结构主要特点并网特性,定桨 定速型 异步 风力发电机组 拓扑,叶轮,增速齿箱,风能 高速机械能,高速机械能
3、电能,低压 高压,改善机组并网稳态特性、暂态特性,异步鼠笼式发电机,软并网,升压变,电网侧,无功补偿,异步,异步：指风机采用异步鼠笼感应式发电机因为风机的异步发电机通过接触器直接连接电网，因此异步电机的电气特性就是风机的并网电气特性,定桨,定桨：指叶片的角度固定不变，不能调节；因为定桨距导致叶片的角度不能调节，所以叶片吸收的机械能完全由风资源情况决定，这意味着定桨风机出力随风的波动而波动，机组自身不能调节有功功率；而只能通过停机的方式控制其出力,定速,风机功率从0kW增大到额定功率750kW，速度从1500rpm变化到1518rpm。因为机组在额定功率以内转速变化范围很小，因此称其为定速风机,
4、异步电动机的有功-无功关系,异步电机在没有出力的条件下也需要吸收一定的无功功率励磁，并随着出力的增大，无功需求也逐渐增加！为保证风机与系统之间无功交换最小，因此只要风机并网，就要投入一定的无功补偿，无功补偿随着机组处出力的增加而增大,变桨 变速型 双馈 风力发电机组拓扑,叶轮,增速齿箱,风能 高速机械能,高速机械能 电能,低压 高压,双馈式感应发电机,升压变,电网侧,定子线圈直接连接电网，能量占额定容量75%以上,转子线圈通过变流器连接电网，能量占额定容量25%以下,Crowbar 电阻，防止变流器过流,变桨,叶片角度可以调，一般采用液压系统或电控系统控制。能够控制叶片吸收的风能，因此变桨距风
5、机通过调节叶片角度控制有功功率,双馈,指风机采用双馈式感应电动机，该类型电机是在鼠笼式感应电动机基础上发展而来，主要区别在转子线圈上，双馈电机的转子采用线圈引出线的方式（取代了鼠笼式电机转子上的闭环铜线或铝线），该线圈通过变流器并网，而定子线圈直接并网。变流器通过调节转子上的磁场转速的方式来调节电机的转速。当电机转子转速在同步转速以上时，定子和变流器都向电网送电，当电机转子转速在同步转速以下时，定子线圈向电网送电，转子线圈从电网吸收电能，但整体表现是向电网送电。受双馈电机自身的电气特性决定，转子理论上最大的能量调节范围为电机额定容量的25%，因此一般变流器的容量为电机额定容量的25%30%。定
6、子需要励磁电流，可以通过变流器的转子侧进行励磁控制，所以双馈电机不需要额外的无功补偿装置，可以在一定范围内调节机组输出的无功功率（由变流器容量和控制决定）,双馈感应电机特性及调速,相同的功率,不同的转速,双馈电机可以在一定范围内调速,变桨宽调速永磁直驱机组拓扑,全功率变流器,叶轮直接驱动永磁同步发电机,升压变压器,电网,电压、电流检测信号,放电电阻,风能 电能,变频 变幅值 工频 690V,低压 高压 并网,有功控制 基本原理,调节叶片的角度，风机可以实现有功输出调节,控制叶片旋转速度，风机可以实现有功上升速率控制,变桨系统控制风机的有功功率,无功功率控制 原理介绍,控制原理风机通过全功率变流
7、器控制输出电压幅值方式控制与电网的无功交换，采用全功率变流器，无功调节范围宽，机组具备一定电压调节能力.在暂态过程中，机组送出的容性无功电流可以达到机组额定电流的100%，响应时间ms,电压无功问题解决方案,增大风电机组无功容量(如GE Wind,Vestas,NEG Micon,苏司兰,新金风750)升压站动态无功补偿(SVC/STATCOM),机组内部电压无功问题解决方案,金风公司750kw机组新配置25+50+100+100+200kvar+25kvar MCR SVC装置补偿精度：+/-3kvar响应速度：20ms在无功补偿方面的性能优于所有上述厂家,MCR型动补,调兵山风电场,MCR
8、型动补-系统组成,MCR型动补-原理介绍,系统原理,铁心结构,MCR型动补-原理介绍,只要通过改变可控硅相角，就可以连续改变B-H曲线上的B值，从而改变H值，进而改变电流值。B-H曲线，当B值小于1.7T时斜率很大，之后斜率很小，B值得微小改变，可以换来H值的大幅变化，为了看起来方便，右图对1.7T以后的斜率进行了缩小，实际的曲线有平得多。磁通密度B或磁化强度M磁场强度H,MCR原理-控制特性,MCR原理-关于可靠性,可控硅只承受1%的电压，在35KV系统里只承受不到400V电压，无需任何器件串联，控制电流不大于设备额定电流，无需任何器件并联，因此采用低压可控硅模块，系统简单、设计裕量大、可靠
9、性极高。整个系统几乎都由铜铁组成，主回路没有任何电子元器件。没有机械开关频繁动作，可靠性高，寿命长。,MCR原理-关于损耗,除磁阀之外，其余所有铁心的工作状态同变压器一样，不进入饱和区，损耗较低，磁阀部分损耗较高，但占铁心重量的比重仅为2-5%。由于电抗器只有一个绕组，因此，绕组损耗不大于相同容量变压器。MCR-磁阀控制电抗器与传统的饱和电抗器的概念发生了根本的改变，总体损耗已经大大下降，额定损耗约为总容量的0.6-1.8%，不高于其他形式的动补。有人觉得MCR损耗高，主要是不了解现在的原理的改变，以及MCR型动补所有损耗都集中于本体，而不象其他形式的动补，损耗分散于电抗器、阀组、吸收电路、冷
10、却系统等多个部分，单独某一个部分损耗可能不高，但累计损耗较高。,磁阀,MCR原理-关于谐波,谐波特性,1、3次谐波角接可以消除。2、5次谐波约为额定电流的2.5%，7次谐波电流约为1.5%3、谐波电流不到TCR的50%。,MCR原理-响应速度,从右图可以看出可以MCR实现20ms的开环响应速度。风电场的补偿对响应速度的要求并不是很高，有几十毫秒足够了。,国外动态,Attention EPRI members!In March 2002,EPRI awarded Tailored Collaboration Status to a potential MCR pilot installation
11、 in the US.See EPRIs website for Magnetically Controlled Shunt Reactors(MCRs)and MCR-based Static Var Compensators(动补s):Project Opportunities in Transmission and Substation Assets Utilization US Pilot Installation of MCR-based svc(a.pdf version of this article is here.)If you are a member of EPRIs T
12、ransmission and Distribution Section and you are interested in installing the first US MCR,EPRI will finance 50%of the project and provide its own expertise for supervision.We invite every EPRI T&D member to carefully consider the advantages of the MCR for power quality control and reactive power co
13、mpensation,and to contact us!,Utilities in Russia,Ukraine,China,Brazil,and elsewhere are finding that they can control electric power transmission in 20 to 1150 kV systems smoothly and automatically up to 500 MVA,with a new Magnetically Controlled Shunt Reactor(MCR).This reactor,designed by some of
14、Russias top scientists,has been tested in the field now for over 20 years,and is now headed for major production and export.Americas current and developing power transmission environment demands a flexible AC transmission system(FACTS)whose No.1 feature is reliability.The good news is that its possi
15、ble right away for about the same outlay and maintenance costs as for ordinary transformers of equivalent parameters.Of course,cost is not the main issue in the construction of large electrical grids.But reliability,efficiency,stability,and energy savings are.And those are exactly the benefits that
16、this equipment provides.ISO-9000 certified,IEC standardized,and proven in the field for 20 years now MCRs outperform thyristor-controlled reactors(TCRs)and other compensators in all areas and they do significantly outperform in costs as well!Now,more efficiently and reliably than ever before,you can
17、 Save power Stabilize power loads Control allowable power variation Control surges automatically and electronically Minimize substation switching operations Here are some of the benefits and advantages of MCRs over TCRs:Reliable and long-lasting as solid rock Improved damping of voltage oscillation
18、Smaller distortion of network voltage main harmonic 100%overload up to 30 seconds 40%overload up to 20 minutes Non-intertial boosting within one network voltage period Internal power losses at rated voltage of only about 0.5%rated power Simple(transformer-like)maintenance Equipment costs about 50%of
19、 TCRs Coolant is non-toxic(no PCBs).,MCR动补在风电场应用的优势,系统简单、可靠性高、维护工作量小，而且这些优点的获得是原理性的，而非工艺性的。这对运行环境差、维护力量薄弱的风电场来说是非常重要的。占地面积小，基建费用低，节约总体造价。全室外安装，容易适应高寒、高海拔、大风沙的恶劣环境。,MCR动补在风电场应用的方法,全容量动补，MCR与电容器组同容量，全范围无开关动作实现连续动态调节。新建的很多场合使用这种方式。分段动补，可以将电容器组分为两组或多组，同时安装一组电容器容量的MCR，可以实现分段动态连续调节，由于风电场的无功波动工况一般不会频繁极大范围波
20、动，因此在很多场合分两组还是有合理性的，也有不少业主选用这种方案。感性调节的实现，MCR发容量，只要电容器组与MCR可以独立投切就可以了，将电容期组切除，就可以得到，优质的感性无功电源。,MCR动补的应用-分组示意图,MCR型SVC系统构成,日常操作分合闸操作,MCR合闸操作：合闸前应确认隔离刀闸位置正确，确认控制屏内“启动/停止”转换开关置于停止位置，“手动/自动”转换开关置于手动位置，按下控制屏内的MCR合闸按钮或于主监控机上遥控操作即可完成合闸操作。MCR分闸操作：分闸前应先将“启动/停止”转换开关置于停止位置，观察MCR电流降至空载电流后，按下控制屏内的MCR分闸按钮或于主监控机上遥控
21、操作即可完成分闸操作。如需在MCR本体进行相关工作时，还需要将隔离刀闸断开，合上接地刀闸。,MCR装置的运行状态,MCR停止状态控制屏内起动/停止旋钮指向停止位置，为MCR停止状态，正常状况下，投切MCR，设置参数，切换运行状态均应在停止状态下进行操作厂家调试模式在此种模式下，控制屏内上述三个旋钮分别位于启动，调试，手动状态。此模式专用于厂家进行MCR的调试，调试完成后，就可退出此工况。手动运行模式在此种模式下，控制屏内上述三个旋钮分别位于启动，运行，手动状态。MCR根据设定的参数调节输出容量，但不能自动投切电容器组，需要运行人员监控当前的无功状况，根据需要手动投切电容器组。自动运行模式在此种
22、模式下，控制屏内上述三个旋钮分别位于启动，运行，自动状态。MCR当前的无功状况，自动调节输出容量，和投切电容器组。,日常巡视,MCR型动态无功补偿装置为自动无功补偿装置，由MCR和电容器组配合，对升压站接入系统点（高压侧）的无功功率进行自动控制，以达到接入点无功交换最小。对运行的MCR设备进行巡视检查是很重要的，可以及时发现缺陷及时处理，预防事故的发生。电压巡视：MCR运行电压最好不超过额定电压的1.05倍；电流巡视：MCR电流是根据220kV侧的无功状况，自动调节，一般不可超过额定电流的1.3倍额定电流；,场地巡视,油枕指示的油位油色正常，无渗漏现象MCR本体无渗漏，呼吸器正常，变色硅胶颜色
23、改变不得超过1/3MCR声音随着电流的变化有所变化，由于MCR电流随无功变化随时变化，所以MCR声音也会随时变化，但不应有不均匀的爆裂声或放电声油温正常，各散热器温度接近瓦斯继电器内无气体，继电器与油枕连接阀应打开压力释放阀应完好无损特殊天气、温度突变时应及时检查油枕指示的油面变化情况与MCR本体连接的励磁单元等设备应牢固、完好设备连接点无发热、火花放电或电晕放电等现象,MCR异常状况处理,MCR智能控制器提供了多种故障识别和保护，按故障级别可分为轻微故障、一般故障和严重故障。本现场控制器本身提供电铃鸣警，也向综合保护系统提供了监视MCR系统运行的数字信号输出触点，综合保护系统的音响也能鸣警，
24、运行人员可通过MCR监控上位机读取MCR故障类型。,故障分类-电量保护,电流保护：包括过流1段故障，过流2段故障，负序故障和失控故障。除过流1段不可恢复外，其他电流故障均可自行恢复。电压保护：包括三类故障，分别是过压故障、欠压故障和缺相故障。当系统电压正常后，该故障可自行恢复。过载保护：该保护是对MCR的视在功率的保护，级别较低，实时性也很低。当发生过载故障时，系统只是简单的亮灯以示警告，同时将通过自身的降容措施来降低功率输出。,MCR本体非电量保护,温度保护：分过温1，过温2和过温3三个级别，其中过温1一般不属于故障类型，只是提示启动散热风扇，过温2将进行降容处理，过温3最为严重，这三个信号
25、都是从MCR本体上传输过来的开关信号。瓦斯保护：分为重瓦斯（包含压力释放）和轻瓦斯两个级别，都是从MCR本提上传输过来的开关信号，其中重瓦斯动作时MCR将跳闸。,故障分类-控制系统保护,误操作：当面板上的旋钮开关打到自动运行时，此时MCR本体应该已经投上。如果此时MCR处于断开状态，将报误操作故障。该故障可自恢复。当励磁控制器异常时，将反馈给主控制器一个错误信号，三相励磁控制器任何一个发生异常，主控将封死三相励磁的脉冲。此故障是不可自恢复的，必须通过人工复位来恢复正常。,故障分类-外部保护,接触器故障：接触器故障是指在投切电容器组的过程中发生的开关信号与逻辑不符合的故障，有两种情况下可能发生，
26、第一是当系统准备投入某组电容却发现该组电容开关已经闭合或者当系统准备切下某组电容却发现该组电容开关已经打开，第二时系统投切某组电容后经过若干时间（该时间为接触器最大反馈时间，可设）发现该组电容的开关与投切动作不符。该故障是不可自恢复的，必须通过人工复位进行恢复。,故障处理,过压故障、欠压故障、缺相故障、过流2故障、负序故障、失控故障、过温1故障、过温2故障、轻瓦斯故障、过载故障、误操作故障都是可自恢复的，当控制系统检测到工况已经恢复正常则可自动继续正常运行。其中过温1和过载属于最轻微的故障，发生时只点亮报警灯，故障灯正常。接触器故障、控制器异常（励磁故障）、过温3故障是不可自恢复的。需要用户故
27、障复位才能恢复系统正常。在外界排除了故障之后，比如过温3常开触点已经恢复打开状态，按下故障复位按钮即可使控制系统恢复正常运行。最严重的故障类型是过流1故障和重瓦斯故障，控制器将跳闸将MCR强行从系统中切下。用户必须在手动状态下，通过面板上的MCR合闸按钮或主监控机重新投上MCR，再按下故障复位按钮，才能使系统恢复正常。,几种常见的风电场无功补偿装置的介绍,一家之言，仅供参考。,变电站STATCOM,STATCOM原理与特点,是通过改变并联于电网的一台逆变电源与电网的相角差来实现无功的调节的，安装于上图中的类似箱式变里的就是逆变电源，是STATCOM的核心部分。STATCOM的技术性能在各种动补
28、里是最先进的，感性/容性双向调节，而且响应速度极快，噪声小，谐波小，占地面积小。目前包括 ABB，SIEMENS，ALSTON等几家公司和国内的思源（清华大学技术）可以提供这一产品，国内技术不比国外差多少。STATCOM虽然先进，但系统非常复杂，维护非常困难，专业性极强，全部功率器件均为IGBT或IGCT，数量繁多，直接连入主回路，处理全部功率，相对脆弱而且十分昂贵，由于模块的动态均压比较困难，而且35KV系统还需要升压变压器，因此，我们认为在风电场的适用性是有待商榷的。更适合用于对响应速度要求极高，维护力量强大的电弧炉以及枢纽变电站等场合，国外一般也是这样使用。至于在电网电压发生跌落时，ST
29、ATCOM的无功容量下降较慢，可以更好的支持电压，这一作用几乎可以忽略，因为动补设备的电压调节作用是通过短路阻抗形成的，这么小容量的动补设备，对电压支撑的作用只有2-3个百分点，没有实质的意义。,变电站TCR型动补,TCR动补原理,TCR动补的特点,TCR是通过改变可控硅的相角来实现对空心电抗器的容量调整的，业绩最多，比较成熟，与STATCOM比起来，可靠性还是要高一些，系统也简单一点。不过，一套35KV系统的晶闸管数量达到100多只，处理全部容量，直接联于主回路，几十只晶闸管串联，因此可靠性等级还是比较低的，这也是国际上的共识。另外，谐波含量大，损耗较大，散热系统比较复杂，占地面积大，电磁污
30、染比较严重，基建成本较高等都是TCR的大家熟知的一些特点。国内的鞍山荣信、中国电科院分别是热管冷却、脉冲变压器触发和水冷却、高电位取电两条技术路线的领头羊，泰开、鞍山力德、株洲所等也都有能力提供设备。ABB是世界上的领导企业，占全世界市场份额的60%以上。,有载调压调容,通过调节电容器电压改变补偿容量，是对调容方式的一种贡献。这种方式损耗小，系统简单、不引入谐波污染，投入小，用于无功不频繁调节的场合是非常合适的。有载调压开关的寿命是有限的，用于风电场很难协调补偿精度与使用寿命的问题，提高精度势必导致动作频繁，寿命下降，减少调节次数，又会导致无法满足调节精度的要求。毕竟是机械触点而不是电子开关，寿命的问题是无法回避的。好像国内较早使用的一些风电场已经出现了类似的问题，开始限制使用了。,SVC与有载调压调容的比较,当前可以用于风电场的几种SVC的比较,STATCOM性能最好，占地面积最小，无谐波污染，价格最贵，可靠性与稳定性最低TCR型SVC性能不如STATCOM，占地面积最大，谐波污染大，阀组需室内安装，冷却麻烦，维护麻烦，可靠性与稳定性强于STATCOM，价格比较昂贵MCR型SVC性能STATCOM,与TCR型SVC相当，占地面积较小，谐波污染较小，全室外安装，自然冷却，可靠性极高，价格比较合理,谢 谢！,
