杏花山风电场SVG型动态无功补偿装置不同冷却方式运行分析

张向东，庞俊强

(国家能源集团国华投资有限公司河北分公司，河北 张家口 076750)

SVG型动态无功补偿装置在风力发电场大量使用，其功率单元IGBT模块发热量大，常用的冷却方式有水冷散热系统与风冷散热系统。

1 工程概况

杏花山99 MW风电场工程位于河北省张家口市尚义县境内东部，风电场中心地理位置为东经114°16′，北纬41°10′，平均海拔高程约1 520 m。属东亚大陆性季风气候中温带亚干旱区，年平均气温3.7 ℃。极端最高气温30.6 ℃，最低气温-39.8 ℃，年平均降雨量480 mm～510 mm，集中在7月、8月份，积雪期长达4个多月，大于6级风日数70 d。

杏花山风电场建设30台3.3 MW机组，开发容量为99 MW。该工程配置有两套SVG型动态无功补偿装置，分别为不同厂家、不同冷却方式的无功补偿装置。

一套为直挂式水冷SVG型动态无功补偿装置，由思源清能电气电子有限公司生产，型号为QNSVG-28/35-CW，在SVG集装箱内布置，于2020年12月投运。投运一年多来，运行比较稳定，其间升级过监控系统软件，未发生故障跳闸现象。

另一套是降压式风冷SVG型动态无功补偿装置，由山东泰开电力电子有限公司生产，型号为TKSVG 35/10-17M(8.5+8.5)，在SVG室内布置，于2012年11月投运。后于2020年11月对SVG无功补偿装置进行高低穿改造，主要是控制方面的硬件和软件的改造，包括更换了最新版控制装置、更新了耐频耐压程序、功率单元进行返厂升级、更换闭环霍尔传感器及采集回路、冷却风机增加变频功能并修改控制回路和保护参数、更换功率单元绝缘导轨、更换功率柜防尘棉等。

2 SVG型动态无功补偿装置水冷系统介绍

2.1 水冷系统工作原理

水冷SVG型动态无功补偿装置散热方式为水冷散热，密闭水冷却系统的工作原理如图1所示，通过水冷板将IGBT产生的热量交换至冷却介质(通常是乙二醇水溶液)中，冷却介质在泵的压力作用下沿管路流经换热器，并通过户外水风换热器实现第二次热量交换，降低冷却介质温度，冷却后的介质再次流回SVG阀组部分，循环工作。冷却系统动力元件(泵、风机等)的启停和各传感器的反馈信号通过PLC统一处理， 并在人机界面上显示。

图1 SVG水冷系统工作原理

2.2 水冷系统结构组成

图2 SVG水冷系统循环原理

水冷却系统根据各部分功能不同主要由以下几个部分构成:主循环冷却回路、去离子回路、控制与保护、水-风换热器和其他辅助组件等，如图2所示。

2.2.1 主循环冷却回路。冷却介质在主循环泵动力作用下，带走水冷板中热量，热介质通过换热设备进行二次散热后，再回流主循环回路。主循环回路设置2台主循环泵，1用1备，工作模式为轮换工作，可定时自动切换和手动切换，工作时间可通过触摸屏设置。

2.2.2 去离子回路。去离子回路是并联于主循环回路的支路，主要由离子交换器及相关附件组成，对主循环回路中的部分介质进行纯化。通过对冷却水中离子的不断脱除，达到长期维持极低电导率的目的。

图3 SVG水冷系统水泵电气原理

2.3 水冷系统控制与保护

水冷系统具有IGBT单元阀室的温湿度检测功能，并通过与水温的计算，具备结露预警和跳闸功能，并可向SVG控制系统发出预警和跳闸信号。从而实现对水冷系统的监控与保护，将水冷系统的工作状况上传给主控制器，实现对水冷系统的远程控制。水-风换热器：风机的起停组群由PLC根据温度传感器发出的指令控制。其主要设备包括盘管、散热翅片和风机等。

3 SVG型动态无功补偿装置风冷系统介绍

3.1 风冷系统工作原理

风冷SVG型动态无功补偿装置布置在SVG室内，散热方式为风冷散热，风冷系统由散热风机和控制电路组成。冷空气由功率柜进风口进入，带走功率柜内功率模块IGBT产生的热量，经过冷却风扇从功率柜顶部的风道排至室外，SVG室内形成负压，室外冷空气由SVG室墙上的通风口进入室内，如此往复循环，能够保证环境温度稳定在SVG装置正常工作所需范围内。

3.2 风冷系统结构组成

图4 SVG功率柜内部示意

SVG风冷系统由12个冷却风扇和1面控制柜组成，控制柜内布置有变频器、PLC、风机控制回路等，12个风扇依次布置在功率柜顶部，功率柜正面布置有进风口，PLC通过温度传感器采集功率柜内温度信号，发出冷却风扇启停控制指令。

3.3 控制与保护

风扇控制回路中配置有PLC、变频器，通过控制装置采集SVG功率模块IGBT的温度，根据温度调整变频器输出，节约场用电。另外风机停止后，SVG设备闭锁不跳闸，在现场切换站用变或者交流电源临时故障时能够避免SVG跳闸，减少不必要的停电次数。

图5 SVG风冷系统风扇控制回路

4 SVG风冷系统与水冷系统运行对比分析

杏花山风电场两套SVG型动态无功补偿装置所处运行环境相同。通过一年多的运行对比观察，分析两套无功补偿装置不同冷却方式的优缺点。

4.1 水冷系统优缺点分析

SVG型动态无功补偿装置水冷系统能够保证装置在各种额定的环境条件下适应IGBT单元阀组的各种运行工况，可以长期稳定运行。在全站停电检修期间，对SVG装置功率模块进行定期维护过程中发现装置内部功率模块相对比较干净、积灰较少。但是还存在以下几方面需要关注的薄弱点。

4.1.1 水冷系统冷却液泄漏。在投运前装置调试过程中发生过一次冷却液少量泄漏情况，随后及时检查清理。后续一年多来未发生因变形、泄漏、异常振动和其他影响IGBT单元阀组正常工作的缺陷。

4.1.2 水冷系统的防冻设计。风电场所处区域冬季大风、气温至-30 ℃，水冷系统所用的冷却介质为乙二醇水溶液，最低冰点达到-60 ℃。2020年经过一个冬季，水冷系统稳定运行，未发生异常，但仍需要定期测试冷却液冰点是否合格。

4.1.3 冷却液补充频率。并网初期对水冷系统进行过一次全面检查并完成补液。到目前为止，液位未降至警戒线以下，通过定期巡视，预计补液周期在2年左右。

4.1.4 水冷系统设备稳定性。经过一年多的运行观察，水冷系统主循环冷却回路、去离子回路、控制与保护、水-风换热器和其他辅助组件等均能可靠运行，其间出现过一次故障，手动复位后恢复正常。

4.2 风冷系统优缺点分析

SVG型动态无功补偿装置风冷系统结构简单、便于日常巡视维护，故障率低，同时也能达到功率模块对环境温度的要求。但是存以下薄弱点。

图6 SVG风冷功功率模块布置

①通过强制风冷将SVG功率模块产生热量带走，在空气交换过程中，SVG室进风量需求大，导致SVG室内部容易吸入雨雪，影响设备安全和稳定运行。②正常情况下室内空气会持续在SVG柜内外循环，运行一段时间，会逐渐将灰尘积累到SVG内部装置。变电站所处区域春季风沙大，特别是2021年连续几次的沙尘暴天气，SVG室通风滤网因灰尘大导致通风效果差，造成室内负压较大。室内地面及屏柜上有明显积灰，需要对SVG室内通风滤网及功率柜滤网进行定期清理。③在SVG装置无功出力较大时，产生热量较多，室风冷风扇全部运转，此时室内噪音较大，不利于运维人员检查SVG功率模块运行情况。④全站停电检修期间，对该套SVG装置功率模块进行定期维护时，发现功率模块内部有明显积灰，需要用吸尘器逐个清理。由于单个功率模块重量一般都在50 kg以上，在清理过程中，搬运功率模块一般需要有2人配合，不仅增加了运维人员发生物体打击的人身安全风险，也增加了功率模块搬运过程中误碰光纤或者损坏模块的设备安全风险。目前，采用风冷系统的SVG可以通过开展通风改造，在保证通风量的前提下，提高SVG室防尘等级，优化SVG室内运行环境。

5 结束语

通过对杏花山99 MW风电场SVG型动态无功补偿装置风冷和水冷两种散热系统的运行情况对比分析，发现两种方式各有优缺点。水冷相对于风冷主要优点就是设备对恶劣环境的适应能力明显高出许多，比如潮湿、风沙、盐雾腐蚀等，同时水冷散热效率高且无噪音，但水冷相对于风冷也有不足，主要是结构复杂、价格高。综合考虑，水冷散热系统型SVG更适合地处于高海拔、低温、扬沙环境等恶劣环境的风电场。