关于户内直挂风冷型SVG 变频改造的实现方法
刘宏伟
（国家能源集团国华新能源宁夏分公司，宁夏
银川，750011）
摘要：35kV 户内直挂风冷型SVG 设备，每套设备配置冷却风扇6台，根据SVG 运行要求，只要
SVG 投入运行，6台冷却风机全部工频运行，根据近4年的运行数据来看，SVG 设备的核心部件功率模块在满负荷情况下，无论在夏季或冬季均不会产生高温情况，尤其在冬季，冷却风机完全没有必要工频运行，该运行方式不但造成厂用电的大量浪费，而且还造成设备本体积灰严重，从而造成PCB 板元器件之间爬电距离缩短、二次元件短路、放电和烧毁。综上所述，对于该设备现行的工频风冷型冷却方式的改造显得十分必要，也具有极大的经济和安全价值。关键词：风电场SVG 冷却方式变频中图分类号：TK264.1文献标识码：B 文章编号：2096-7691（2020）12-046-05
作者简介：刘宏伟（1983-），男，工程师，2007年毕业于南昌大学信息工程自动化专业，现任职于国家能源集团国华新能源宁夏分公司，主要从事风电场安全管理及生产经营工作。Tel：177****8558，E-mail：**********************
1引言
近些年，国内电力行业SVG 设备随着技术变革和升级，设备本体的冷却技术也逐渐由风冷向水冷的方向快速发展，其冷却机构也由老式的工频模式逐渐向变频模式转变，本文所要讨论的就是风力发电场现用的户内直挂风冷型SVG 冷却风扇变频改造方法的实现，以特变电工生产的型号为TSVG-12/35风冷型SVG 为例，详细探讨其冷却变频改造的实现方法。
2SVG 风冷变频改造想法
该风场在用的4套特变电工的35kV 户内直挂风
冷型SVG 设备，每套容量为12Mvar ，每套设备配置冷却风扇6台，单机功率为1.8kW ，根据SVG 运行要求，只要SVG 投入运行后，6台冷却风机全部在工频下运转，根据本地气候条件及近4年的运行数据统计，冷却风机的无差别工频运行模式不但造成了厂用电的巨大浪费，而且由于不间断的大风量强制冷却，造成设备内部积灰严重，核心部件功率模块多次因积灰过重发生放电及模块击穿造成跳闸事故。2.1SVG 设备工频冷却模式下的用电损耗
现场使用4套35kV 户内直挂风冷型SVG 设备，
容量为±12Mvar ；每套设备冷却负荷为6台1.8kW 散热风机，SVG 运行后风机一直工频运转，风机总功率为6×1.8×4=43.2kW ，属于站内有功损耗的主要设备之一，表1为单套SVG 冷却用电负荷统计。
表1
单台SVG 冷却风机用电负荷统计
单台风机额定功率（kW ）1.8
风机数量
（台）
6
平均单日运行时间（h ）24
单日风机总损耗
（kWh ）
259.2
从统计的数据可以看出，4套SVG 设备的风机损耗单日耗电量在259.2×4=1036.8kWh ，按照宁夏电网工业用电度电平均计价计算，仅SVG 设备冷却系统的运行成本就是22.7万元/a ，经过变频改造后，预期成本可以降低50%以上，每年节约电费成本约计11.35万元以上。
2.2SVG 设备冷却负荷的需求分析
根据对近4年运行数据的取样统计和分析表明，SVG 在不同季节各负荷情况下的温度曲线如图1~5所示（宁夏属温带大陆性干旱、半干旱气候，年平均气温为5.3~9.9℃，年极端气温区间在-15~39℃），这里按照环境温度分别为-10~0℃、0~10℃、10~20℃、20~30℃、30~40℃五档来分析不同负荷条件下的功率模块的运行温度。
第12期刘宏伟：关于户内直挂风冷型SVG 变频改造的实现方法
SVG 负荷-IGBT 温度曲线环境温度：-10~0℃
I G B T 温度（℃）120
100806040200-20
SVG 负荷（MVar ）
IGBT 温度
报警值90℃
故障值105℃
-12-10-8
-6-4-20
图1环境温度-10~0℃
SVG 负荷-IGBT 温度曲线环境温度：0~10℃
I G B T 温度（℃）
12010080604020
SVG 负荷（MVar ）
IGBT 温度
报警值90℃
故障值105℃
-12
-10
-8
-6-4-20图2环境温度0~10℃
SVG 负荷-IGBT 温度曲线环境温度：10~20℃
I G B T 温度（℃）
12010080604020
SVG 负荷（MVar ）
IGBT 温度报警值90℃
故障值105℃
-12-10
-8-6-4
-20
图3环境温度10~20℃
SVG 负荷-IGBT 温度曲线环境温度：20~30℃
I G B T 温度（℃）
12010080604020
SVG 负荷（MVar ）
IGBT 温度报警值90℃
故障值105℃
-12
-10
-8
-6-4
-20图4环境温度20~30℃
SVG 负荷-IGBT 温度曲线环境温度：30~40℃
I G B T 温度（℃）
12010080604020
SVG 负荷（MVar ）
IGBT 温度
报警值90℃
故障值105℃
-12
-10
-8
-6-4
-20图5环境温度30~40℃
综上可见，
功率模块无论负荷高低，即使在宁夏
地区夏季高温情况下，运行温度距离报警值和故障值
也相差较多，因此冷却风扇全时工频运行完全没有必要，尤其在冬天或者低负载情况下，冷却风机完全没
有必要工频运行，针对SVG 冷却风扇变频改造显得
尤为迫切。
2.3工频冷却对设备的影响分析
对于新能源发电场，尤其是风力发电场，设备运行的环境普遍比较恶劣，发电场SVG 设备现场配套使用的4套风冷设备，其耗电量大、发热量大，特别在西北风沙较大地域更加恶化了SVG 设备运行环境，再加之SVG 设备的核心部件功率单元是一种电力电子设备，属于高精密设备等级，因此设备运行的环境要求比较苛刻，该设备的强制工频冷却，势必造成设备在日常运行中积灰严重，具体如图6、图7所示。
图6功率单元电源控制板的积灰情况
图7功率单元通信板的积灰情况
灰尘对该设备的影响主要体现在以下4个方面：
（1）很多风冷SVG 设备在使用一段时间后，因积灰问题容易导致模块通讯故障、IGBT 故障、欠压故障、控制失效、模块烧毁等故障，严重的还会出现起火燃烧。
（2）在干燥的空气情况下，灰尘阻抗一般较高，元件失效不容易表现出来，但如果在雨雾天，天气湿度大的情况下，灰尘吸湿后变为湿尘，此时湿尘表现较强的导电活性，导致功率模块器件失效，跳闸或炸毁。
（3）灰尘表面一般带有细小的盐碱颗粒，在大雾、下雨天等湿度大的天气下，SVG 设备内部形成的湿尘还有另一个危害，就是会腐蚀设备内部的电子元器件。
（4）积灰导致防尘网堵塞、散热器散热性能变差，大功耗器件温度急剧上升，引起温度告警，风扇转速升高，噪声增大，更严重会导致内部IGBT 器件损坏，设备不断重启，甚至烧坏。
·
·47
第12
期
通过长时间的运行观察分析，确定风冷型SVG 设备内部灰尘的来源均是来自设备风机运行时的外部风量经过设备时的沉淀与积累，因此，设备经过变频改造后，SVG 设备在运行中会大大降低外部进入设备内部的风量，从而改善设备积灰情况，最终达到延长设备清扫周期和设备寿命、降低设备故障率的目的，确保设备稳定性。2.4工频冷却的噪声影响
随着近代工业的发展，环境污染也随之产生，而噪音污染本身就是环境污染的一种，而噪音污染与水污染、大气污染被看成是世界范围内3个主要环境问题。风冷SVG 设备风机运行时的噪声往往都比较高，SVG 设备噪声的大小直接与散热风机的转速相关，转速越高，噪声越大。变频改造后，冷却风机的转速慢下来了或者不转，噪声可以大大降低，减少设备噪声对风电场运维人员的影响，提高运维人员的生活质量。
3SVG 风冷变频改造方案的选择
根据以上变频改造优势的分析，并结合风电场使用的TSVG-12/35风冷型SVG 设备的自身特点，最初拟定了以下几种优化方案：
方案一：6组风扇同时变频运行。方案二：6组风扇分级变频运行。这里要说明的是：TSVG-12/35风冷
型SVG 每台容量12Mvar ，每套共配置33台功率单元（IGBT 模块），单相11台。根据功率单元的运行温度要求，设备运行温度保护逻辑为：任何一个单元温度达90℃报警，达105℃时故障跳闸。下面来分别分析以下这2种方案的优缺点：3.1方案一
使用SVG 功率柜内IGBT 模块（功率模块）温度控制6组风扇同时启停。控制逻辑为：当任一IGBT 模块温度达到30℃时，6组冷却风扇同时启动，进入变频运行，运行频率根据模块温度升高而线性升高，当任一IGBT 模块温度达到70℃时，直接启动工频运行；当所有IGBT 模块温度低于25℃时，6组冷却风扇同时停止。（注：这里选定的温度值是根据实际运行中温度区间初步选定的，具体可根据运行情况随时调节，且上述启停温度值可调）。TSVG-12/35风冷型SVG 本身具备对所有IGBT 模块运行温度的实时监测功能，因此，此方案不用变动SVG 柜内原有设备，只需增加变频控制系统以及升级SVG 的DSP 和FPGA 程序即可实
现该控制逻辑。
（1）方案一优点：①控制逻辑简单，优化操作实施方便。②由于6组风扇是分散布置，同时启停可以避免“风道盲区”，避免33台IGBT 冷却效果不一致。
（2）方案一缺点：优化后，相比6组风扇分级启动的方案，耗电量比较大。3.2方案二
使用SVG 功率柜内IGBT 模块（功率模块）温度控制6组风扇分级启停（这里只讨论分为两级启动的方案）。控制逻辑为：当任一IGBT 模块温度达到30℃时，6组冷却风扇先启动3台变频运行，根据6台风扇安装位置，可以选择1、3、5号或者2、4、6号风机运行，当温度升高至50℃时，已经运行的3台风扇进入工频运行，同时剩余3台风扇启动变频运行，此时运行频率根据模块温度升高而线性升高，直到IGBT 模块温度达到70℃时，直接启动6台风扇工频运行；当所有IG⁃BT 模块温度低于25℃时，6组冷却风扇同时停止。
（1）方案二优点：分级启停，最大程度节省耗电量，以达到经济最大化。
svg运行方式有哪些（2）方案二缺点：①控制逻辑相对复杂。②可能造成“风道盲区”，造成部分IGBT 模块温度偏高，模块温度不一致。3.3方案确定
对比上述两种方案的优缺点，通过前面的分析，知道一定负荷、一定环境温度情况下所需的风量基本一定，当模块温度处于30~70℃时，方案一的6台风扇启动的运行频率一定小于方案二的3台风扇启动的运行频率，因此方案一和方案二在实际运用中，在耗电量上不会相差很多，但两种方案的区别最重要的还是在实际运行后，尽量避免33台IGBT 模块产生局部过热，因此出于安全考虑，采用方案一进行变频改造比较合理。
4
SVG 风冷变频改造的实现
4.1
控制逻辑改造（1）SVG 设备运行时风机控制单元采集每个功率模块的当前运行温度，直接决定冷却风机是否启动，初步选定的启停区间为：当任一PCB 模块温度超过30℃时，启动变频运行，当任一PCB 模块温度超过70℃时，直接启动工频运行。启动变频运行后，控制系统综合SVG 的当前负荷，首先计算出当前PCB 结温所需冷却风量，从而计算出风机合理运行频率。这样
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第12期在PCB 温度较小时，风机处于停机或低转速状态，使
风机可以运行在最佳的节能功率范围，同时实现节能、降噪、减少设备积灰、提高设备运行稳定性的目的。
（2）为了避免PCB 温度在启停定值附近造成风机频繁启停的现象，还设置了一定的控制滞区，控制逻辑为：当PCB 任一模块的温度达到30℃以上时，风机启动变频运行，当所有模块温度降至25℃时，风机才停止运行，即存在25~30℃的一个控制滞区，以避免风机频繁启停（以上温度定值均可调）。
（3）为了避免变频系统出现故障，在控制回路设计中，要求增加系统工/变频切换（手动和自动）的控制回路，以避免变频系统出现问题时，造成设备被迫停运的后果。
4.2一次系统改造
风电场SVG 设备工频运行风机一次电气接线原理如图8所示，共配置6台风扇，通过1个通道进行控制（即一个风机接触器控制）。
A
B C
QS1KM1
1号风机5号风机6号风机
图8工频运行风机一次电气接线原理
改造后变频运行风机一次电气接线原理，具体如
图9所示。6台风扇通过两个通道控制，即一路工频、一路变频，工频变频自由灵活在线切换，当变频
器故障时，自动切换到工频工作，保证SVG 的持续在线运行。
A B C
QS1KM1
1号风机5号风机6号风机
QS2KM2
BF 变频器
V/F R S T
U V W
图9变频运行风机一次电气接线原理
4.3
二次系统改造
（1）本次改造需要增加一套变频控制系统，即变
频控制柜，功能包括：①采集功能，即可以采集SVG 各PCB 模块温度及各类运行参数（包括电流、电压、功率等）。②计算功能，即该系统可以综合SVG 的当前负荷、当前PCB 结温情况计算设备冷却系统所需冷却风量，从而计算出风机合理运行频率。③变频控制功能，即通过中央控制系统最终给出的频率实时控制冷却风扇电机变频运行。
（2）改造需要增加一套远程监控系统，以方便运行人员远程监控，主要功能包括：①通过远传实现运行人员实时掌控系统运行各参数，包括系统运行电流、电压、功率和冷却电机频率等电气参数，以及PCB 模块实时温度、风扇电机温度、转速、风量等物理参数。②可以实现必要的远方控制功能，包括远方手动启停风扇、调整系统参数、工变频转换等操作。
5结束语
基于近四年的运行数据分析，以及对IGBT 温升的仔细研究，通过热仿真和温箱整机实验的方法，得到了IGBT 温升和负载量以及环境温度之间的函数关系，通过这种函数关系，可以准确计算出在一定负荷、一定环境温度情况下所需的风量，在这种前提下，通过变频改造，可以实现冷却风机的按需运行，这样不但降低了散热系统的损耗，减小了SVG 的噪声，降低设备内部集尘，还大大改善了设备运行环境，同时由于各风机不必长期处于满负荷工作状态，冷却系统的寿命和可靠性也将大大增加。通
过本文的分析，得出以下结论：
（1）通过变频改造，保证SVG 设备的经济运行，降低系统运行损耗，减少场用电量，预期节省运行成本11.35万/a 以上。
（2）通过变频改造，使进入设备本体的风量大大减少，降低设备内部积灰情况，改善功率单元运行环境条件，提升设备稳定性，降低设备清扫维护周期。
（3）通过变频改造，冷却风机转速大部分时间运行在工频以下，由于转速降低，大大减少设备本体噪声，维持良好环境，提升运维人员和周边居民的生活质量。参考文献：
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Implementation Method of Frequency Conversion Transformation of Straight-type Indoor Air-cooled SVG
Liu Hongwei
（CHN Energy Guohua New Energy Co.，Ltd.Ningxia Branch ，Yinchuan ，Ningxia ，750011）
Abstract ：Each set of 35kV straight-type indoor air-cooled SVG equipment is equipped with 6cooling fans ，all of which will operate at power frequency as long as the SVG is put into operation ，according to the operation requirements of SVG.According to the operation data of the past 4years ，the power module ，which is the core part of SVG equipment ，will not generate high temperature with full load in summer or winter ，and especially in winter ，it is completely unnecessary for cooling fans to operate at power frequen⁃cy ，which not only causes a large amount of auxiliary power waste ，but also causes serious ash deposit in the equipment ，resulting in shortened creepage distance between PCB board components ，short circuit ，dis⁃charging and burnout of secondary component.In summary ，the transformation of the current power frequen⁃cy air-cooled cooling mode of the equipment is very necessary and of great economic and safety value.Key Words ：wind power farm ；SVG ；cooling mode ；frequency conversion
（收稿日期：2020-07-28
责任编辑：徐慧）
Experimental Study on Pyrolysis Characteristics and Combustion Process of
Blended Coal
Wang Fa ，Lei Junjie
（CHN Energy Baoqing Power Generation Co.，Ltd.，Shaoyang ，Hunan ，422000）
Abstract ：Coal resources are one of the main energy sources in China.According to the utilization of coal resources in China ，many power plants generate power through blended coal combustion.In this article ，two kinds of single coals A （Wan'an coal ）and E （Jiexiu coal ）from Baoqing Power Plant in Shaoyang are used and blended in five proportions of 2：8，4：6，5：5，6：4and 8：2.Through industrial analysis ，thermogravi⁃metric experiment and activation energy analysis ，it is concluded that when the blending proportion of C coal accounts for 60%~80%of the total blending proportion ，its combustion characteristics are the best.Key Words ：combustion characteristic ；blended coal ；pyrolysis ；kinetics
（收稿日期：2020-03-17
责任编辑：徐慧）
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