趙 龍，石 剛，柳 磊，涂 超，張健美

（國網(wǎng)甘肅省電力公司酒泉供電公司，甘肅酒泉 735000）

目前，我國電力自動化相關(guān)科學(xué)技術(shù)的研究力度在逐步加大，人們對風(fēng)力發(fā)電站等大型設(shè)備運行提出的要求越來越高。為進(jìn)一步提高發(fā)電質(zhì)量，維持發(fā)電站設(shè)備高效穩(wěn)定的運行狀態(tài)，我國將無功補償技術(shù)逐步應(yīng)用于該領(lǐng)域當(dāng)中[1]。無功補償技術(shù)具有穩(wěn)定電壓、控制電源性能、有效降低電力損耗等優(yōu)點，將其應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域中有助于節(jié)約大量成本。因?qū)o功補償技術(shù)要求增高，實現(xiàn)預(yù)期效果難度也逐步變大，甚至該技術(shù)的應(yīng)用出現(xiàn)危害人們生命安全的案件，為此需要對無功補償技術(shù)相關(guān)檢測與控制進(jìn)行深入研究[2]。

相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业玫搅艘恍┹^好的研究成果。文獻(xiàn)[3]提出基于海纜的海上風(fēng)電場無功補償方法。在Matlab/Simulink 環(huán)境基礎(chǔ)上，構(gòu)建相應(yīng)仿真模型，海上風(fēng)電場采用兩端和單端兩種補償方案，對海纜導(dǎo)體損耗情況進(jìn)行對比，該方法在降低海纜導(dǎo)體損耗的同時，能夠提高風(fēng)力發(fā)電站無功補償效率。但該方法存在精確度較低的問題。文獻(xiàn)[4]提出基于優(yōu)化粒子群算法的風(fēng)電場無功補償方法。結(jié)合優(yōu)化粒子群算法對風(fēng)電場并網(wǎng)時電容器數(shù)量進(jìn)行控制，利用電容器組進(jìn)行無功補償，達(dá)到對風(fēng)力發(fā)電設(shè)備進(jìn)行無功補償?shù)哪康?，但該方法存在無功補償效率較低的問題。文獻(xiàn)[5]提出基于最大功率跟蹤的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無功補償方法。構(gòu)建SVC 和STATCOM 的模型，將改進(jìn)的控制模塊連接到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，在DIg SLIENT 仿真中驗證風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無功補償?shù)挠行浴Ｑ芯拷Y(jié)果表明，該方法對無功補償精準(zhǔn)度提升較大，但無功補償控制效率較差。

針對以上傳統(tǒng)方法存在的問題，提出基于狀態(tài)監(jiān)測的風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制方法。利用X光探傷設(shè)備對無功補償設(shè)備進(jìn)行探傷檢測，并在無功補償設(shè)備上安裝備用設(shè)備，當(dāng)其任意結(jié)構(gòu)達(dá)到承受臨界值時，對其停止控制并啟用備用設(shè)備，實現(xiàn)無功補償以保證設(shè)備正常工作。

1 無功補償設(shè)備狀態(tài)檢測

風(fēng)力發(fā)電站發(fā)電過程中風(fēng)力的大小與方向都是不確定的，造成風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)設(shè)備生成的電流電壓質(zhì)量也存在不確定性，因此需要無功補償技術(shù)進(jìn)行相關(guān)維護(hù)。假設(shè)風(fēng)力發(fā)電站發(fā)電過程生成電流電壓可用量代表生成電流電壓質(zhì)量，受風(fēng)力大小與方向的不定因素影響，生成電壓波動幅度較大，因此無功補償技術(shù)主要應(yīng)用于無功補償器中，該設(shè)備具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 維護(hù)電流電壓無功補償器

該設(shè)備可控制無功功率，降低傳輸數(shù)量與效果，達(dá)到控制生成電流電壓波動的目的。電壓源逆變結(jié)構(gòu)可調(diào)整與規(guī)劃生成的電流電壓，進(jìn)入電抗結(jié)構(gòu)后，該結(jié)構(gòu)會抵御和強制規(guī)劃波動較大的電壓，濾波結(jié)構(gòu)的存在會削弱電壓波動，避免其他因素影響，耦合變壓結(jié)構(gòu)會規(guī)劃與再調(diào)整最終電壓，生成的電流電壓進(jìn)入系統(tǒng)電壓中。但該過程無功補償控制器遭受壓力巨大，不僅承受大量波動電流電壓沖擊，還需將波動電流電壓進(jìn)行規(guī)劃調(diào)整，因此會出現(xiàn)損壞情況，若維護(hù)電流電壓無功補償設(shè)備損壞不僅損失成本，損壞過程產(chǎn)生的電火花還會造成更大危害，若能在無功補償設(shè)備損壞前發(fā)現(xiàn)問題，將會降低大量損失。

該類型無功補償器工作環(huán)境危險，造成其維護(hù)難度較高，但相關(guān)的無功補償器狀態(tài)檢測方法能有效解決此問題。

針對維護(hù)生成電流電壓的無功補償設(shè)備，該設(shè)備受波動電流電壓沖擊力較大，采取設(shè)備監(jiān)督檢測設(shè)備的方法并不可行，不僅會出現(xiàn)監(jiān)督檢測設(shè)備損壞情況，還可能造成設(shè)備維護(hù)成本過高，因此該方法不可取。狀態(tài)檢測方法可利用全方位X 光探傷與紅外測溫方式對無功補償設(shè)備進(jìn)行實時檢測，分析電場與電力系統(tǒng)，檢測過程如圖2 所示。

圖2 無功補償設(shè)備狀態(tài)檢測過程

在該過程中，X 光探傷設(shè)備會對無功補償設(shè)備各結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位探傷檢測，電抗結(jié)構(gòu)檢測十分重要，因該結(jié)構(gòu)在整體中受沖擊力最大，紅外測溫設(shè)備主要用于電壓源逆變結(jié)構(gòu)、濾波結(jié)構(gòu)、耦合變壓結(jié)構(gòu)中，該設(shè)備對各結(jié)構(gòu)溫度進(jìn)行檢測，最終X 光探傷設(shè)備與紅外測溫設(shè)備會將測得的數(shù)據(jù)交予電腦數(shù)據(jù)處理平臺，該平臺對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，針對X 光探傷設(shè)備測得的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用式（1）獲?。?/p>

其中，n代表X 光探傷設(shè)備測得的數(shù)據(jù)，當(dāng)n趨近于0 時，表明無功補償設(shè)備已達(dá)到承受最大值，需要停止運行并進(jìn)行維護(hù)處理。

針對紅外測溫探傷設(shè)備測得的數(shù)據(jù)主要應(yīng)用式（2）獲?。?/p>

其中，N代表紅外測溫設(shè)備測得的數(shù)據(jù)，a為各機構(gòu)初始溫度。當(dāng)f(z)計算的值趨近于0 時，無功補償設(shè)備各結(jié)構(gòu)承受溫度達(dá)到最大值，容易造成結(jié)構(gòu)形變，需立即停止運行并進(jìn)行降溫處理。

綜合上述分析，該文提出的無功補償設(shè)備狀態(tài)檢測方法，可在控制維護(hù)成本的同時達(dá)到設(shè)備狀態(tài)檢測的目的[6-7]。

2 風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制

基于狀態(tài)檢測方法對風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)無功補償設(shè)備控制進(jìn)行研究，檢測是控制的基礎(chǔ)。若檢測到維護(hù)生成電流電壓的無功補償設(shè)備某一結(jié)構(gòu)將達(dá)到承受值需要終止工作時，全部設(shè)備終止工作不但無法及時停止運行，還會對設(shè)備造成損傷。因此需要研究出一種最適合的對風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)無功補償設(shè)備進(jìn)行控制的方法，而狀態(tài)檢測方法能滿足這一條件。將上一小節(jié)獲取的狀態(tài)檢測方法應(yīng)用于風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制過程中時，需要將其設(shè)計為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

狀態(tài)檢測方法可以應(yīng)用相關(guān)技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電站相關(guān)無功補償設(shè)備的電壓源逆變結(jié)構(gòu)、電抗結(jié)構(gòu)、濾波結(jié)構(gòu)、耦合變壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，并且在初始控制的基礎(chǔ)上添加了新型控制方法，這一過程可以任意結(jié)構(gòu)在達(dá)到其臨界值時及時終止運行，且不干擾其他結(jié)構(gòu)的正常運行，實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制[8-9]。

該文以風(fēng)力發(fā)電站中的維護(hù)電壓電流的無功補償設(shè)備為例，利用狀態(tài)檢測方法對其進(jìn)行相關(guān)控制，其具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 無功補償控制結(jié)構(gòu)

該設(shè)計利用狀態(tài)檢測方法中的X 探傷與紅外測溫對該設(shè)備的各結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測，同時會對各結(jié)構(gòu)安裝備用結(jié)構(gòu)，還會應(yīng)用狀態(tài)檢測方法對整體設(shè)備進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，進(jìn)而實現(xiàn)控制，并且在無功補償設(shè)備的基礎(chǔ)上安裝了備用設(shè)備，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其中任意結(jié)構(gòu)達(dá)到某一承受臨界值時會對其終止控制并將生成的電流電壓接入到備用結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)該無功補償設(shè)備的正常工作，在應(yīng)用狀態(tài)檢測方法后，可將整個無功補償設(shè)備分為兩部分，其中電壓源逆變結(jié)構(gòu)、電抗結(jié)構(gòu)與濾波結(jié)構(gòu)可分為一部分，耦合變壓器可分為一部分[10]。電壓源逆變結(jié)構(gòu)、電抗結(jié)構(gòu)與濾波結(jié)構(gòu)構(gòu)成的第一部分詳細(xì)解析圖如圖4 所示。

圖4 第一部分詳細(xì)解析圖

圖4 中，電壓源逆變結(jié)構(gòu)分為高頻逆變部分與整流逆變部分，高頻逆變部分主要作用是降低生成的電流電壓的高頻率，從而減少生成電流電壓的不可用部分，再將降頻后的電流電壓通入整流逆變部分。整流逆變部分的主要作用是將降頻后的電流電壓再次進(jìn)行規(guī)劃，狀態(tài)檢測將會通過X 光探傷與紅外測溫的方式對電壓逆變結(jié)構(gòu)的這兩部分進(jìn)行實時檢測，若高頻逆變部分與整流逆變部分任何一個部分達(dá)到承受臨界值，狀態(tài)檢測的相關(guān)系統(tǒng)會自動將該電壓源逆變結(jié)構(gòu)切換為備用結(jié)構(gòu)，電抗結(jié)構(gòu)與輸出濾波結(jié)構(gòu)也是同理，當(dāng)接近承受臨界值時，狀態(tài)檢測的線管系統(tǒng)也會將其自動切換[11-13]。

第二部分為耦合變壓結(jié)構(gòu)，之所以將耦合變壓結(jié)構(gòu)與第一部分分開，是因為電流電壓在第一部分運行的過程中為單向功率傳輸[14-16]，而在耦合變壓器中為雙向電壓傳輸，在狀態(tài)檢測系統(tǒng)對耦合變壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制時，需要采取新的方式，耦合變壓結(jié)構(gòu)解析圖如圖5 所示。

圖5 耦合變壓結(jié)構(gòu)解析圖

由于該結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)備用設(shè)備的安裝，因此需要采取狀態(tài)檢測當(dāng)中電場分析的手段，當(dāng)電流電壓通過第一部分進(jìn)入到耦合變壓結(jié)構(gòu)中時，狀態(tài)檢測系統(tǒng)會對電流電壓進(jìn)行電場分析，使電場不同的電流電壓分別從兩端進(jìn)入到系統(tǒng)電壓中，大大減少了耦合變壓結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，從而實現(xiàn)對耦合變壓結(jié)構(gòu)的控制，進(jìn)而通過狀態(tài)檢測設(shè)計的系統(tǒng)實現(xiàn)對風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制的目的。

3 實驗結(jié)果與分析

為檢測利用狀態(tài)檢測技術(shù)對風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償?shù)目刂菩Ч?，設(shè)計對比實驗，實驗在某風(fēng)力發(fā)電站中完成。針對發(fā)電站中同一發(fā)電設(shè)備采用狀態(tài)檢測方法與文獻(xiàn)[3]提出的基于海纜的海上風(fēng)電場無功補償方法、文獻(xiàn)[4]提出的基于優(yōu)化粒子群算法的風(fēng)電場無功補償方法以及文獻(xiàn)[5]提出的基于最大功率跟蹤的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備無功補償方法分別進(jìn)行實驗，統(tǒng)計三個月的實驗結(jié)果，每個月數(shù)據(jù)為一組，即實驗共有三組數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)輸出結(jié)果對比多種方法下無功補償設(shè)備的檢測與控制效果。

3.1 不同方法的設(shè)備狀態(tài)檢測效果對比

根據(jù)上述實驗參數(shù)設(shè)計對比實驗，對比不同方法的設(shè)備狀態(tài)檢測精確度，結(jié)果如圖6 所示。

圖6 設(shè)備狀態(tài)檢測精確度對比

由于該文采用的狀態(tài)檢測方法主要應(yīng)用了X 光探傷與紅外測溫技術(shù)檢測風(fēng)力發(fā)電站無功補償設(shè)備，針對性較強，所受干擾較小，因此其檢測精確性遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]方法對無功補償設(shè)備的檢測精度。

3.2 不同方法的無功補償控制效率對比

為進(jìn)一步驗證此次研究的有效性，利用不同方法測試其無功補償控制的效率。具體實驗結(jié)果如圖7 所示。

圖7 無功補償設(shè)備控制效率對比

該文采用的狀態(tài)檢測方法對風(fēng)力發(fā)電站無功補償設(shè)備進(jìn)行控制，可以采用先檢測后，通過電力系統(tǒng)檢測與電場分析對無功補償設(shè)備結(jié)構(gòu)的備用切換，來實現(xiàn)更高效率的無功補償控制，這是對比文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[4]和文獻(xiàn)[5]控制方法較為明顯的優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

該文通過狀態(tài)檢測方法對風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備無功補償控制進(jìn)行了深入研究。首先采用狀態(tài)檢測中的X 光探傷與紅外測溫技術(shù)實現(xiàn)了風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備的檢測。在明確無功補償設(shè)備狀態(tài)檢測結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對風(fēng)力發(fā)電站設(shè)備進(jìn)行無功補償控制。主要實現(xiàn)過程為在詳細(xì)地分析無功補償設(shè)備后，采用狀態(tài)檢測中電流檢測與電場分析的方法對發(fā)電站設(shè)備實現(xiàn)了初始控制與備用結(jié)構(gòu)切換控制，在實現(xiàn)控制的同時減少了無功補償設(shè)備的損傷，延長了壽命，為更好地實現(xiàn)無功補償設(shè)備的控制提供了有力的幫助。