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风电场SVG跳闸原因分析-以三月山风电场为例

摘要：风电场的安全稳定运行离不开无功补偿装置的调节，使母线电压稳定在一个固定的范围。随着越来越多的风电机组投入运行，系统电压的稳定也会随着风电场的扩容而受到影响。其中电压波动的影响尤为明显。为防止因系统电压不稳定而造成电场故障跳闸或是元件损坏，风电场在正常运行时都要将高压静止无功发生器 SVG一并投入运行，防止谐波的产生，稳定电场电压，以此来提高电能的质量。本文从高压静止无功发生器 SVG 的原理切入，对三月山风电场历次 SVG 跳闸进行原因分析，并对分析出的问题进行有针对性的改善点。
关键词：风电机组；高压静止无功发生器；跳闸原因

引言
由于系统电压的不稳定会给整个电网带来影响，因此要求风电场将高压静止无功发生器 SVG 必须投入运行，并以此来稳固电力系统电压，使电能质量保持在一个较好的水平位置。早期使用的第一代并联补偿电容器，运行过程中只能提供固定无功功率补偿，易造成过补或欠补，不具备治理闪变及抑制电压波动的能力，不具备滤波能力，而且容易放大谐波使系统发生谐振的风险，因此第一代产品已退出市场运行；以晶闸管半控投切电容器为代表的第二代无功补偿装置也因不能提供连续无功功率，不具备滤波能力，不具备治理闪变及抑制电压波动的能力，在有软启动设备的现场使用受限，使系统产生谐振的风险，目前也已较少使用。随着IGBT全控的时代出现，无功补偿装置在原设备的基础上进行了升级改造，出现了迄今为止性能最为优越的电能质量优化装置—高压静止无功发生器SVG。本文对高压静止无功发生器SVG原理进行讲解，再结合三月山风电场现场实际因 SVG 故障跳闸造成全场失电的案例进行分析，提出SVG稳定运行所具备的条件及现有基础上的改善点。
1. SVG 系统基本原理
SVG 的原理是将SVG看做电压源型逆变器，将电压源型逆变器经过电抗器并联在电网上。电压源型逆变器包含直流电容和逆变桥两个部分，其中逆变桥由可关断的半导体器件IGBT组成。工作中，通过调节逆变桥中IGBT器件的开关，可以控制SVG电压的幅值和相位，因此，整个装置相当于一个调相电源。通过检测系统中所需的无功功率，可以迅速发出大小相等、性质相反的无功功率，实现动态无功补偿的目的。（如图 1 所示）

图 1 SVG 原理示意图

SVG在容性模式下、感性模式下的电压、电流变化如图 2所示，当母线电压过高SVG发出容性无功，以此来降低母线电压；反之当母线电压过低SVG发出感性无功，以此来抬高母线电压，使母线电压始终保持在一个正常的电压范围内（35.2-35.8kV）。（如图 2所示）

图 2 补偿原理示意图
2 三月山风电场历次 SVG 跳闸原因分析及改善点
2.1 三月山风电场历次 SVG 故障跳闸原因分析
本文对 2017—2021 年四年间三月山风电场 SVG 引起的故障跳闸案例进行分析：
案例一: 2017年 06月 26日3点19分SVG控制器报出如下故障：A相第4单元状态：过流4；功率单元状态故障；单元硬件保护；按压状态不一致；单元短路故障2。3点20分SVG控制器报出如下故障：单元电压不平衡保护（SW）；A相第4单元状态：下行光纤无光；A相第4单元状态：上行光纤断；A相第4单元状态：下行光纤线断。导致364断路器故障跳闸。故障原因: 经现场厂家人员检查、调试，发现IGBT分列号为两个批次；批次不同，并列的IGBT管压降不一致，导致并列IGBT之间有环流产生；在SVG输出电流远小于额定时，两只并列IGBT之间也会产生大电流，导致IGBT击穿损坏。在拆下单元时发现IGBT直流侧输入端发现小虫子，怀疑在设备运行时有虫子飞入IGBT直流侧输入端，导致正负极短路，造成环流，击穿IGBT。按要求与SVG厂家协商从新购买了一批同批次的IGBT更换现场IGBT，经厂家测试合格后发往现场更换，经检查所有功率模块均正常，具备投运条件如图3、4所示。

图3检查、测试故障模块

图4 SVG装置IGBT模块现场更换

该案例暴露的问题: (1)值班人员在天气转变为大雾、阴雨天气时未及时查看35kV1号SVG运行工况和35kV1号SVG室室内环境情况; (2)现场未对荣信SVG装置常用备品备件进行储备;(3) 检查发现IGBT直流侧输入端有小虫子。
案例二: 2018年05月22日03时30分51秒，后台告警，报荣信SVG 故障，荣信SVG 停止运行，就地检查设备故障情况，故障具体为功率单元状态故障、单元状态不一致及C相单元短路，本体接触器分闸，03时36分41秒， 35kV 1号SVG 364断路器跳闸，35kV故障录波启动告警。故障原因: 检查发现C相#25IGBT模块接线端子处存在放电痕迹如图5所示，其余模块检查无异常。在SVG 跳闸前，因持续阴雨天气，空气较为潮湿，实测当天SVG室内空气湿度为80％ (设备对环境的使用要求:环境温度-10℃到40℃。环境湿度：不超过50%，)。35kV 1号SVG无功补偿装置运行时通过外循环冷却风道，潮湿的冷空气进入SVG室内，被散热风扇吸入柜体，并附着于C相中IGBT模块附近的绝缘隔板上，造成模块潮湿，IGBT模块接线端放电导致SVG停运，由于故障一直存在，SVG装置在循环自检5次（根据荣信SVG装置控制程序设置，在SVG故障停运后，设备进入自检状态，自检5次，如故障仍然未消除，会触发指令，跳开上一级开关，保护SVG），仍可检出C相短路故障，因此，程序发出指令，跳开35kV 1号SVG 364断路器。

图5：SVG装置C相#25IGBT模块放电情况
此案例整改措施：（1）经与设计院、厂家沟通后，拆除风管，封堵进出风口，由外循环散热改为内循环散热，隔绝潮气进入室内的主要通道；（2）将格栅与墙体的缝隙用泡沫密封胶进行封堵；（3）在屋内加装1台空调及1台除湿机；（4）加强运行值班纪律，对特殊天气情况下的SVG巡检作了具体要求和规定。
2.2 改善点
本文分析出三月山风电场SVG故障跳闸所暴露出来的问题，针对这些问题进行总结。主要有以下两个方面原因，针对以下原因罗列出今后的改善点。以此来保障设备的安全稳定运行。
设备方面：
（1）对 SVG 室内的通风口用海绵或者防尘棉进行隔挡，防止灰尘进入并附着在IGBT板卡上造成办卡短路损坏
（2）SVG室内加装除湿装置，使SVG室内的温湿度维持在正常的范围并保持干燥；
（3）值班人员根据要求定期对防尘棉进行拆卸清洗，停电检修时对IGBT板卡进行表面灰尘清理等。
电场方面 ：
(1）根据生产现场管理制度要求对 SVG 室内基础辅助设施进行巡视检查，对查找发现的缝隙用泡沫填充剂进行封堵，增强室内空间的密闭性，阻断灰尘、昆虫及其他杂物的侵入；
（2）风电场日常开展隐患排查工作，对发现的隐患缺陷及时进行处理，消除事故隐患，保障设备的稳定运行；
（3）组织电站运维人员定期对 SVG 运行状态、维护进行培训学习，加强现场运维人员的技能水平的培训；
（4）邀请设备厂家对 SVG 基本的故障如何进行消缺，电站人员必须学习、掌握等。
3 结论
随着风电行业装机规模的增加，高压静止无功发生器已经成为稳定系统电压，提高电能质量不可替代的电气设备。为了提高SVG的可靠性，通过对三月山风电场SVG历次故障跳闸原因进行分析，提炼出针对室内SVG后期安全稳定运行的一些改善点。
参考文献
[1]陈丰、陈迎宾、魏钰柠SVG的工程实践与风电场无功补偿装置的选型（2020）
[2] 伍阳阳、刘友宽、张彩强、白鹏、郭映维、鲁聪、文天舒云南省风电场 SVG 频繁跳闸原因研究综述 （2020）
[3]吴小平，静止无功发生器SVG保护配置及工程应用探讨（2014）
杨继清( 1997-)，男，国投云南风电有限公司武定生产部，675000。

-全文完-