2006 八月

风力发电机用电力电容器

确保较长的使用寿命

由于更高的封装密度和强烈的载荷波动,风力发电机的电容器比功率因数校正(PFC)系统所使用的电容器所处环境更严苛。它们也会使用去谐配置。然而,在安装时进行一些的修改即可延长其使用寿命。

由于风力发电机内的空间有限,开关盒内电容器的高封装密度意味着更高的特定功率损耗(W/cm3)。这将会使开关盒内的温度升高,并因此导致电力电容器工作温度升高。它们会由于使用过程中的电阻和介电损失而变热。如果温度上升过快,热点温度会超过规定的上限,因而缩短电容器的使用寿命,甚至引起故障。如今,电力电容器一般应符合IEC60831-1/2或EN60831标准的最高温度等级(-25/D)。该温度等级规定如下:

  • 55℃ 允许的最高峰值温度
  • 45℃ 允许的最高每日平均温度
  • 35℃ 允许的最高每年平均温度

这些数字指的是电容器周围的空气温度。

过热引起的安全风险

电力电容器中的聚丙烯电介质在特定的热点温度以下具有较高的介电强度。如果超过此温度,电压承受能力会明显下降。因此,带聚丙烯电介质的电容器的使用寿命非常依赖此热点温度。描述温度变化老化过程的Arrhenius方程显示,金属化聚丙烯电容器的温度上升7℃,其使用寿命将会减半。

如果超过了规定的温度,使用寿命会由于越来越多的自愈而缩短。达到某一温度极限时,自愈可能会失效,引起非自愈击穿。这意味着除了要考虑使用寿命外,当超过电容器制造商或国际IEC60831-1/2电容器标准规定的数值时还可能会导致安全风险。因此,如果明显超过最高使用温度,电容器自有的安全设备(过压断路器)将会无法工作,甚至会破坏电容器和起火。

在安排、设计和使用PFC系统时,必须保证开关盒内良好的通风:由于封装密度通常较高,因此都是强制通风。同时还应在电容器之间和温度较高的元件,如电感器和功率半导体之间保持足够的间距(图1)。必须始终遵循电容器制造商规定的参数。

 图1:带优化热设计的PFC系统
无风力涡轮机电抗器的成套PFC系统:熔丝、电容器触点、PFC控制器,和电容器。

更长使用寿命的开关操作

强烈的载荷波动将会导致大量的开关操作,其中一些会带有不足的对冲击电流的衰减。由于风速不稳定,风力发电机的输出条件也会不断变化。因此,相移和必需的电容无功功率会有高动态变化。其结果是电容器必需经常连接和断路。电容器的开关次数不仅取决于发电厂的设计,而且受位置和季节的影响。

强烈的载荷波动将会导致大量的开关操作,其中一些会带有不足的对冲击电流的衰减。由于风速不稳定,风力发电机的输出条件也会不断变化。因此,相移和必需的电容无功功率会有高动态变化。其结果是电容器必需经常连接和断路。电容器的开关次数不仅取决于发电厂的设计,而且受位置和季节的影响。


在理想情况下,风力发电机软件控制电容器以相同速度开关并且平均使用时间相同。然而,只有这一种措施通常并不足够。


传统PFC系统和风力发电机的电容器通过机械接触器(带冲击电流衰减的理想的电容器接触器)与电源线相连。在交流电压电容器的开关过程中,尤其是在与电源系统相连接的电容器并联或风力电厂电网短路能量增加的情况下,会产生较高的电容器冲击电流。根据所选择的接触器和相对于正弦半波的瞬时值(峰值电压时的最坏情况)的实际连接时间的不同,会产生振幅极大的冲击电流,计算公式为I = C dV/dt。由于高电动力,大冲击电流对电容器产生较大的负荷,尤其是在电极接触区域。这不仅会影响电能质量(瞬变或电压降)和接触器的使用寿命,也会影响电容器的使用寿命。

金属化电力电容器的使用寿命受开关操作次数的限制。根据IEC60831 - 1/2电容器标准,在规定振幅内不应超过每年5000次。爱普科斯生产的电容器可以超过此数值。目前实际上已达到150,000次以上开关操作。

开关操作的次数会直接和间接地缩短电容器的使用寿命。由于开关频率高,预期使用寿命在100,000至200,000次开关操作的电容器连接器在使用1-2年后就已经无法使用了。在寿命的末期,其冲击电流衰减能力削弱并且初级电路中的触点也已损坏。冲击电流衰减能力不足导致是电容器工作寿命缩短的主要因素。烧焦的主触点容易引起振荡和开关效率低下。电容器的大量过载还会导致设备过早故障,而且在某些情况下会带来安全风险。

 图2:可控硅整流器模块
电力电容器温和开关用的可控硅整流器模块。

这些载荷变化如此之快,需要实时反应的技术。在动态PFC系统中,可控硅整流器模块之类的电子开关正在逐渐取代慢速机电开关(图2)。除响应时间之外,使用寿命也是一项重要优势,因为可控硅整流器没有机械磨损。在去除机械接触器之后,高冲击电流的问题也迎刃而解(图3)。可控硅整流器在零电流过渡时开关电容器,因此可以避免高达额定电流200倍的冲击电流(图4)。可控硅整流器模块成本可在2至3年内收回。如果考虑电容器故障可能引起火灾,成本回收时间就更短了。

 图3:可控硅整流器模块的冲击电流
图的下半部分显示的是控制脉冲,上半部分显示的是可控硅整流器模块或电力电容器的负载电流。通常的开启脉冲被消除。快速反应时间和谐波失真都有显示。
 

图4:带保护的冲击电流

此处显示的在某工厂测得的电流冲击振幅是额定电流的157倍。

谐波:电力电容器的威胁

在工业、商业和私人系统应用中,非线性负载数量的增加对电力系统质量的消极影响越来越大:电力系统被谐波污染。谐波和电容器与系统电感可能的谐振引起的系统不稳定性表明对元件可能存在的高负荷。如果现有谐波电流的频率与LC系统的本征频率一致,将会引起共振并因此产生强大的过载电流。然后,谐波会由发电机引发(并联共振),或中压一侧的谐波失真引发,例如:由于风力电厂内的其它装置(串联共振)。即使没有共振,仍会有额外电流加诸于电容器,并使其发热。


目前,工业领域几乎全部使用去谐PFC系统。在这些系统中,滤波器电路扼流圈与电容器串联。此LC组合用于确保滤波器频率保持在最低谐波频率以下。结果是,PFC系统在所有谐波频率呈现感性,阻抗增加。去谐可消除电容器共振并将电容器负荷限制在较狭窄的范围内。通过避免共振,电网电能质量也相应改善。谐波的减少也可以延长其它电子和电气设备的使用寿命。此外,维护和维修费用也相应减少。


由于复杂网络结构中同时具有并联谐振(谐波载入低压侧)和串联谐振(谐波载入中压或高压侧),去谐PFC系统始终是解决谐振问题的良好手段。

安全第一

自愈电力电容器一般都配有过压断路器,以便在经过多次自愈过程和不断增加的内部过压之后,在使用寿命结束时与电力系统断开连接。这些断路器只处理由过量过载或过载引起非自愈击穿时的再生过程中产生的气体。它们对其它类型的破坏无效,例如:短路或不产生气体的元件故障。因此需要其它保护设备。最重要的保护元件是起短路保护作用的直接预连接保险丝。在选择保险丝时,需要特别注意以下标准(见IEC61818):

  • 额定电压:应始终比电源电压高一个等级以确保故障发生时安全的电弧淬火。然而,额定电压为690V的保险丝经常用于690-V的风力发电机,这与IEC61818是相冲突的。
  • 推荐额定电流:额定电流的1.6-1.8倍。
  • I2t特性:触发保险丝的能量必须低于电力电容器和/或后连元件的击穿能量的下限。当发生故障时,保险丝应在电容器的能量消耗超过临界范围(击穿能量)之前触发。

使用继电器是另一种在中压PFC系统中保护电容器的方式。它们同时还可提供针对接地漏电、冲击电流、不对称、欠电流和过电压的附加保护功能。除专用PFC电容器之外,爱普科斯还提供一系列用于工业安装和私人住宅用PFC产品,并在国际市场领导此行业多年。在230V至800V电压范围内,每个电容器的无功功率范围可以从0.8至56千乏。此外,该产品范围涵盖了一个成功PFC系统的所有关键元件:功率因子控制器、多功能测量界面、谐波过虑电抗器、电容器触点和可控硅整流器模块-所有这些元件都实现了相互间的充分协调。再加上技术人员和全球各地合作伙伴的宝贵经验,爱普科斯不仅提供单个元件,更提供了真正的电力质量解决方案。

作者:

Peter Goldstrass 博士:PFC产品营销经理

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