2007 十一月

风力电站的动态功率因数校正

快速反应

爱普科斯产品的系列包括了用于动态功率因数校正系统的所有主要元件。这种系统反应时间短,维护需求最低,这让采用这种系统的设施,尤其是风力电站从中受益匪浅。

功率因数校正(PFC)系统由一个功率因数调节控制器、电容器、电容器接触器、熔断器以及一个用来安装上述所有元件的开关盒构成。如果存在谐波,那么该系统还必须添加电感器。

在传统的系统中,按照IEC 60831规定的必要放电过程使得电容器的复位时间至少需要60秒。机械继电器通常用于标准PFC控制器,其相对较慢的开关操作无法满足快速变化负荷的技术要求(要求反应时间在毫秒范围)。机电电容器接触器的情况也是如此,因为它们并非为毫秒范围内的开关过程而设计。

即使使用特殊电容器接触器,该电容器每年的开关操作仍限于5000次(约每105分钟进行一次开关操作)。在实行近100,000次开关操作后,接触器的使用寿命就可能会缩短。此外,根据图1显示,当使用标准继电器时,冲击电流比额定电容器电流高出150多倍,这导致大量应力在电容器上产生,并因此缩短其使用寿命。即使采用集成有充电电阻器的电容器接触器,也可能产生高出额定电容器电流达15倍的冲击电流。

图1:电容器处冲击电流
电容器的冲击电流可能比额定电流高出150多倍。

电流                               电容器冲击电流

                                        时间(毫秒)

                                        连接第5个电容器

                                        峰值电流出现

动态功率因数校正系统的实施需要采用具备晶体管输出、能够适当进行快速反应的控制器,其中将可控硅整流器用作主要元件。与控制器结合后,可控硅组件的运转所需反应时间不到20毫秒,并可低至5毫秒。这对快速负载变化的补偿来说是必不可少的。但是由于可控硅整流器还能在电流的零交叉点进行切换,因此可以避免电容器产生强电流和超高应力。图2为TSM-HV50可控硅整流器模块进行开关操作时的示波器图像。在TSM系列中,电流零交叉处的这一切换是通过将关机后的电容器保持在最大电源电压上来实现的。当切换操作的触发信号生成时,可控硅整流器会等到电源电压达到最大值方实施切换,以便在同一电压条件下切换电容器。

 图2:通过可控硅整流器切入电容器
本图所示为三相PFC系统。当使用可控硅元件切入电容器时,未产生冲击电流。

德国南部的一家电气工程公司Modl(www.modl.de)现已在DynaWind 6000系统中集成了爱普科斯的一些电子元件,比如功率因数校正控制器、可控硅开关和电容器(参见插图)。DynaWind 6000系统专用于风力电站。该功率因数校正系统用于AN BONUS-AN68-1.3 MW类型的风轮机。其主要数据为:

  • 低压边:690 V∕50 Hz
  • 中度电压级:21 kV∕50 Hz
  • 高压网络:110 kV∕50 Hz


这里采用的PFC系统实现了共达400千乏的可用电能(刻有八阶,每阶50千乏)。可对该系统进行编程,使功率因数尽可能介于0.98和1之间。基于半导体的保险丝用于保护系统。位于开关盒顶部的六个排气孔,以及在口盖下侧的过滤器上相对较大的进气口缝隙用于冷却开关盒。在这第一阶段,尚未加入电感器。

 图3:应用中的DynaWind 6000
DynaWind 6000由BR6000T PFC控制器构成,该控制器集成了TSM-HV690型号的可控硅开关,其中每个开关均能在690伏特条件下切换50千乏。此处所采用的电容器即来自爱普科斯WindCap系列。

控制器将快速触发信号发送至可控硅开关,并且配有遥控和远程数据显示用的RS232接口。

图4所示为打开和关闭试范装置(位于汉诺威附近Oelerse风力公园)中的动态功率因数校正系统前后所测得的功率因数(cos φ)。之前的功率因数介于0.2至0.4之间,而之后的功率因数则提升至0.8至1.0。

 图4:功率因数比较
在DynaWind 6000投入使用后,功率因数提升至0.8到1。

               无PFC 动态PFC

经时计时

实测功率因数屡次降到0.98之下共有两个原因:第一,50千乏的最小步长并不总是允许其作微调。因为必须避免矫枉过正,所以获得的功率因数有时并不能达到指定目标。第二,所安装的校正功率对全负荷下运行的发电机来说显然是不足够的,即使原有设施的规格达400千乏。因此在全负荷条件下,不可能对设施进行彻底校正。不过,在测量期间很少会产生全负荷状态。

图5所示为在电网一侧产生的无功功率。在测量开始与结束阶段,功率因数校正关闭,无功功率在-350千乏左右。在这里,负号表明感性无功功率。在接通功率因数校正系统后,无功功率迅即下降到相当低的数值。根据前面的功率因数测量,可以明显看出无功功率由于已经提过的原因不会始终停留在恒定值“0”处。从现在这个测量中我们可以清楚地看到DynaWind 6000系统对负载变化的快速反应。

 图5:电网一侧的无功功率
本图中的每一阶为一次切换操作,通常为50 kvar。

快速可控硅整流器模块

爱普科斯电容器支持每年最高达5000次的切换操作(当使用接触器时)。这一数据大致与图5所得结果一致:在14个小时的持续时间内,进行八次切换操作。很明显,风力设施对切换操作次数的要求要高得多。实际上,每年的此类操作高达150,000,不能忽视电容器或机电接触器出故障以及由此产生的后果带来的风险。可控硅开关无应力地切换电容器,解决了这一问题。从而实现了快速开关以及几乎无限的切换操作次数。

最佳冷却方案


设施的冷却也极为重要。此处电子元件(如可控硅整流器和电容器等)会生成热损耗。另外,由于会暴露在直射阳光下,风力涡轮机内部会产生高温。特别是在夏季,该系统的温度平均值可达40℃以上,而峰值也可能超过60℃。标准MKK和MKP电容器属于最高温度类别(根据IEC 60831-40/D标准),因此可专用于平均持续温度为35℃的环境。如果超过温度限值,系统的使用寿命就会明显缩短。通常情况下,电容器的预期寿命在每升温7 K时,会以0.5的因数下降。


这一问题可以通过优化冷却系统或使用专用于较高工作温度的不同类型的电容器(比如爱普科斯MKV电容器)加以解决。爱普科斯MKV电容器在短期间隔内可支持70℃或45℃的持续工作温度。此外,它们所拥有的脉冲强度最高可为额定电流的300倍,这使它们能够处理比用MKK或MKP电容器时更高的冲击电流。凭借这些性能,爱普科斯MKV电容器也能够完美地适用于传统PFC系统,无需通过可控硅整流器进行保护接入。

上述所有电容器均为自我修复型,即,当介电击穿发生时,金属镀层会在破损点汽化,从而避免发生永久性短路。此外,当电容器的使用寿命将要结束同时内部积聚不容许的压力时,这些产品内部含有的过压保护就会触发。

爱普科斯为动态、传统和静态功率因数校正系统提供所有主要电子元件。

作者:功率因数校正产品营销经理Peter Goldstrass

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