.jpg?imageView2/1/format/webp)
Высоковольтные статические генераторы (SVG) играют важную роль в динамической компенсации реактивной мощности, регулировании напряжения и повышении качества электроэнергии. По мере расширения их использования в возобновляемой энергетике, горнодобывающей промышленности, металлургии, нефтехимических заводах и железнодорожных энергетических системах, качество охлаждения становится важным фактором эффективности оборудования и надёжности эксплуатации.
В этой статье рассматривается интеллектуальная стратегия управления охлаждением, разработанная для воздушно-охлаждаемых высоковольтных систем SVG FGI. Интегрируя низковольтные приводы с переменной частотой (VFD), мониторинг температуры блока питания, данные о выходной мощности в реальном времени и датчики температуры и влажности окружающей среды, система автоматически регулирует скорость охлаждающего вентилятора в соответствии с реальными условиями работы.
Такой подход снижает ненужное энергопотребление вентиляторов, повышает адаптивность к окружающей среде и помогает поддерживать надёжную работу при различных условиях нагрузки. При подходящих условиях эксплуатации предполагаемая экономия энергии от интеллектуального управления вентилятором может превышать 30%, в зависимости от профиля нагрузки SVG и рабочей среды.
Ключевые слова:Высоковольтный SVG, статический генератор изменений, интеллектуальное управление охлаждением, компенсация реактивной мощности, привод с переменной частотой, качество электроэнергии, энергоэффективность
Технология компенсации реактивной мощности значительно развилась по мере того, как современные энергосистемы становятся более требовательными. Компенсирующее оборудование сейчас широко используется в производстве, передаче и распределении электроэнергии, особенно на возобновляемых энергетических объектах, горнодобывающих работах, металлургии, нефтехимических предприятиях и электрифицированных железнодорожных системах.
Традиционные технологии компенсации, включая синхронные конденсаторы и системы на основе конденсаторов, постепенно дополняются статическими компенсаторами вар (SVC) и статическими генераторами изменения (SVG).
SVC обычно использует тиристорно-управляемые реакторы (TCR) в сочетании с конденсаторными банками для регулирования реактивной мощности. Хотя эта технология обеспечивает регулируемую компенсацию реактивной мощности, её работа может создавать гармонические токи, которые могут потребовать дополнительной компенсации.
SVG, также известный во многих приложениях как STATCOM, использует силовые электронные преобразователи для динамической генерации или поглощения реактивной энергии. Регулируя величину и фазу выходного напряжения или тока, SVG может быстро реагировать на меняющиеся условия сети и поддерживать стабильность напряжения. Современные системы SVG часто используют изолированные биполярные транзисторы (IGBT) и продвинутые алгоритмы управления для достижения быстрой, непрерывной регуляции реактивной мощности.
Однако преобразование силовой электроники генерирует тепло, и эффективное термическое управление крайне важно для надёжной работы. В традиционных системах с воздушным охлаждением вентиляторы могут продолжать работать на относительно высокой скорости даже при низкой нагрузке SVG. Это может привести к ненужному дополнительному потреблению энергии.
Для решения этой проблемы FGI разработала интеллектуальную стратегию управления охлаждением для своих высоковольтных систем SVG с воздушным охлаждением. Стратегия объединяет управление подачей на основе питания, температурное управление обратной связью, работу вентиляторов с переменной скоростью и экологический мониторинг, чтобы более точно соответствовать мощности охлаждения реальным эксплуатационным требованиям.
SVG — это устройство с реактивной компенсацией мощности с электрониками без вращающихся механических компонентов. Его преобразователь соединён параллельно с сетью через реактор или трансформатор.
Регулировав напряжение на стороне переменного тока относительно напряжения в сети, SVG контролирует величину и направление обмена реактивным током.
Её режимы работы можно кратко изложить следующим образом:
Режим ожидания или работа с нулевой током:Когда напряжение преобразователя совпадает с напряжением в сетке при соответствующих условиях работы, реактивный ток примерно равен нулю.
Индуктивная работа:Когда напряжение преобразователя ниже напряжения в сети, SVG работает в индуктивном режиме и поглощает реактивную мощность.
Ёмкостная работа:Когда напряжение преобразователя выше напряжения в сети, SVG работает в ёмкостном режиме и подаёт реактивную мощность.
Это быстрое и непрерывное регулирование помогает поддерживать стабильность напряжения и улучшать качество электроэнергии при изменении электрических нагрузк или условий в сети.
Серия FGSVG от FGI включает высоковольтные SVG-системы на основе каскадной архитектуры силовых агрегатов. В конфигурации с прямым подключением напряжением 35 кВ, описанной в оригинальном инженерном исследовании, каждая фаза состоит из нескольких силовых блоков, подключённых последовательно.
Каждый блок содержит электрическую электронную мостовую цепь. С помощью последовательно соединённых силовых агрегатов и фазовой модуляции несущей фазовой смещения преобразователь создаёт сигнал выходного напряжения, который более близко соответствует синусоидальной форме сигнала. Это помогает уменьшить искажения формы сигнала и проблемы, связанные с чрезмерной скоростью смены напряжения (dv/dt).
Серия FGSVG использует импортные силовые электронные модули в качестве основных силовых устройств. Несколько цифровых процессоров сигнала (DSP) и программируемые полевые вентильные массивы (FPGA) образуют систему управления.
Управляющая платформа использует теорию мгновенной реактивной мощности для обнаружения системы и нагрузки. Методы управления постоянным током и фазового смещения несущей обеспечивают быстрое регулирование реактивного тока и улучшение сигналов выходного тока.
Эти возможности позволяют SVG непрерывно подавать или поглощать реактивную энергию по мере необходимости сети.
Модульная конструкция силового агрегата также поддерживает обслуживание и доступность системы. Силовые агрегаты разработаны для взаимозаменяемости, что помогает упростить монтаж и обслуживание. Несколько SVG-блоков могут быть подключены параллельно для расширения компенсационной способности, при этом высокоскоростная оптоволоконная связь поддерживает координированную работу.
Интерфейс управления предоставляет состояние работы, измерения в реальном времени, исторические записи событий, кривые тренда, мониторинг энергоблоков и записи неисправностей. Эти функции помогают операторам контролировать работу системы и исследовать аномальные условия эксплуатации.
В интеллектуальной системе охлаждения низковольтные приводы с переменной частотой регулируют скорость вентиляторов. Вместо постоянной работы на фиксированной скорости вентиляторы регулируют скорость вращения в соответствии с тепловыми и рабочими условиями SVG.
Для снижения риска отказа VFD, влияющего на систему охлаждения, конструкция включает режим работы на основе контакторов с частотой мощности. Если у VFD возникает неисправность, контроллер SVG управляет контактором KM1 для передачи питания вентилятора в цепь питательной частоты.
Такое резервное устройство позволяет вентилятору охлаждения продолжать работать на фиксированной частоте, когда управление с переменной скоростью недоступно, что помогает снизить риск прерывания охлаждения, вызванного неисправностью VFD.
Стратегия управления сочетает внутренние измерения оборудования с экологическими данными.
Мониторинг температуры силового агрегата
Каждый высоковольтный блок SVG оснащён датчиком температуры для мониторинга температуры IGBT. Измерения передаются на контроллер SVG через оптоволоконную связь.
Контроллер SVG затем передаёт температуру блока питания, рабочее состояние SVG, реактивную мощность и соответствующие параметры управления программируемому логическому контроллеру (PLC) через связь RS485.
Мониторинг температуры и влажности окружающей среды
Вокруг шкафа SVG установлены модули температуры и влажности для измерения местных условий окружающей среды. ПЛК считывает эти измерения через шину RS485.
Управление приводом с переменной частотой
ПЛК также взаимодействует с низковольтным VFD через RS485, позволяя контроллеру регулировать рабочую частоту вентилятора в соответствии с выбранной стратегией охлаждения.
Вместе эти источники данных служат основой для координации скорости вентилятора с электрической нагрузкой, внутренней температурой и условиями окружающей среды.
Температура энергоблока меняется относительно медленно в ответ на изменения электрической нагрузки. Если скорость вентилятора регулируется только температурной обратной связью, охлаждение может отставать от быстрого увеличения выходной мощности SVG.
Чтобы решить это ограничение, FGI ввела стратегию управления обратной связью на основе мощности.
Выходная мощность SVG делится на четыре рабочих уровня. Контроллер использует эти уровни для проактивной регулировки скорости вентилятора, а температурная обратная связь обеспечивает дополнительную регулировку.
Четыре уровня мощности определяются следующим образом:
| Уровень мощности | Выходная мощность SVG |
|---|---|
| Уровень 0 | 0–25% |
| Уровень 1 | 25–50% |
| Уровень 2 | 50–75% |
| Уровень 3 | 75–100% |
У каждого уровня свои ограничения частоты вентиляторов. Когда выходная мощность быстро увеличивается, контроллер может увеличить частоту вентилятора охлаждения в соответствии с соответствующим уровнем мощности до значительного повышения температуры блока.
Чтобы избежать частых переключений между уровнями при колебаниях выхода близко к порогу, логика управления использует различные пороги переходов вверх и вниз.
Указанные правила перехода следующие:
С 0 по 1 уровень:Увеличивайте рабочий уровень, когда выходная мощность SVG превышает 25%.
С 1 по 2 уровень:Повышайте уровень, когда выходная мощность превышает 50%. Снизить уровень до 0, если выходная мощность остаётся ниже 17% в течение одной минуты.
С 2 по 3 уровень:Увеличивайте уровень, когда выходная мощность превышает 75%. Снизить уровень до уровня 1, если выходная мощность останется ниже 42% в течение одной минуты.
С 3 по 2 уровень:Уменьшите уровень, когда выходная мощность остаётся ниже 67% в течение одной минуты.
После включения SVG контроллер начинает с уровня 0 и меняет уровни в соответствии с заданными порогов.
Такой поэтапный подход помогает сбалансировать чувствительность охлаждения, энергопотребление вентилятора и стабильность работы.
Работа вентилятора координируется с рабочим состоянием SVG и температурой её силовых установок.
Когда запускается SVG, VFD запускает вентилятор охлаждения. Когда SVG останавливается, уровень мощности возвращается к 0, и контроллер продолжает отслеживать температуру силового блока.
Если SVG остановлен, но температура блока превышает установленный верхний температурный предел, вентилятор может начать выводить остаточное тепло. Когда температура опускается ниже установленного нижнего предела, вентилятор может остановиться.
Если в VFD возникает неисправность, система переходит на работу вентилятора с частотой мощности. Поведение запуска/остановки вентилятора и продолжительность работы после каждого запуска определяются состоянием SVG и температурой силового агрегата.
Верхний и нижний температурные пределы вместе с установленными параметрами времени позволяют системе избегать ненужного циклирования вентиляторов, сохраняя при этом соответствующую теплозащиту.
После запуска VFD контроллер регулирует выходную частоту в зависимости от температуры силового блока.
Температура выше верхнего предела:Контроллер увеличивает частоту вентилятора с заранее заданной скоростью для усиления охлаждения.
Температура ниже нижнего предела в течение одной минуты:Контроллер снижает частоту вентилятора с заранее заданной скоростью.
Температура между двумя пределами:Вентилятор сохраняет свою текущую рабочую частоту.
Использование отдельных верхнего и нижнего порогов вводит температурную гистерезисную зону. В сочетании с минутной задержкой для снижения частоты этот подход помогает избежать чрезмерных изменений скорости, вызванных кратковременными колебаниями температуры.
Объединяя управление прямой подачи на основе питания и обратную связь на основе температуры, система реагирует на меняющиеся нагрузки, сохраняя при этом более подходящий уровень охлаждения при стабильной работе.
Влажность и температура окружающей среды также могут влиять на условия работы электрического оборудования на улице или под воздействием окружающей среды.
Система управления SVG собирает измерения окружающей среды с помощью датчиков температуры и влажности, установленных вокруг шкафа. Согласно первоначальной стратегии управления, при обнаружении дождя или высокой влажности система может перейти в режим минимальной компенсации и снизить скорость охлаждающего вентилятора.
Цель — ограничить ненужный поток воздуха и уменьшить возможные негативные последствия воздействия влажного воздуха и дождя на оборудование.
Эту функцию следует рассматривать как специфическую стратегию применения, а не как замену защиты корпуса, предотвращения влажности, мониторинга изоляции или других необходимых мер экологической защиты.
После внедрения интеллектуальная стратегия охлаждения позволяет SVG автоматически регулировать скорость вентилятора в соответствии с тепловыми требованиями своих силовых установок и условиями эксплуатации системы.
Во многих реальных приложениях SVG не работает непрерывно при номинальной реактивной мощности. Его выход меняется в зависимости от напряжения в сети, нагрузки и компенсационных требований установки. Например, в фотоэлектрических электростанциях спрос на реактивную мощность может быть относительно низким в определённые периоды работы, включая ночную работу, когда компенсация реактивной мощности остаётся необходимой, но требуемая мощность ограничена.
В таких условиях работа вентилятора с фиксированной скоростью может обеспечивать больше охлаждения, чем требует оборудование. Работа с переменной скоростью позволяет сократить это ненужное энергопотребление, более точно подбирая мощность вентилятора к фактическим требованиям охлаждения.
Согласно инженерному исследованию, предполагаемая скорость энергосбережения может превышать 30% при подходящих условиях эксплуатации. Фактические результаты зависят от таких факторов, как скорость нагрузки SVG, график работы, условия окружающей среды, характеристики вентилятора и исходный метод управления охлаждением. Поэтому эту сумму следует рассматривать как оценку, а не как гарантированную экономию при каждой установке.
Помимо снижения потребления вспомогательной энергии, стратегия предоставляет несколько практических преимуществ:
Более отзывчивое охлаждение:Управление прямой подачи на основе питания помогает системе охлаждения реагировать на растущие электрические нагрузки до значительного повышения температуры.
Снижение вспомогательного энергопотребления:Скорость вентилятора может быть снижена при ограниченном тепловом требовании.
Улучшенная рабочая стабильность:Температурный гистерезис и отсроченное снижение частоты помогают предотвратить ненужные колебания скорости вентиляторов.
Непрерывность охлаждения при неисправностях VFD:Обход мощности и частоты обеспечивает альтернативный режим работы вентилятора.
Лучшая адаптация к окружающей среде:Измерения температуры и влажности окружающей среды могут быть включены в операционную стратегию.
Упрощённый мониторинг оборудования:Интегрированная связь позволяет операторам отслеживать температуру, рабочее состояние, параметры управления и записи неисправностей.
Для установок SVG на возобновляемых электростанциях, промышленных объектах и других приложениях с переменным реактивным спросом интеллектуальное управление охлаждением предлагает практический способ повысить вспомогательную энергоэффективность без использования только вентиляции с фиксированной скоростью.
Эффективное теплоуправление крайне важно для долгосрочной работы высоковольтных систем SVG. Однако охлаждающие вентиляторы не всегда должны работать на постоянной скорости, особенно когда реактивная мощность SVG меняется в течение дня.
Интеллектуальная стратегия управления охлаждением FGI сочетает мониторинг температуры энергоблока, измерение выходной мощности в реальном времени, датчик температуры и влажности окружающей среды, координацию на основе ПЛК и управление низковольтным VFD. Её четырёхуровневая логика подачи на основе питания позволяет скорости вентилятора реагировать на изменения электрической нагрузки, а температурная обратная связь тонко настраивает охлаждение в соответствии с реальными тепловыми условиями.
Добавление системы обхода по частоте питания также обеспечивает альтернативный режим работы вентилятора в случае неисправности VFD.
Благодаря более точному согласованию охлаждающей мощности с спросом на оборудование, стратегия позволяет снизить вспомогательное энергопотребление, повысить адаптивность к окружающей среде и поддерживать надёжную работу воздушно-охлаждаемых высоковольтных систем SVG.
Для промышленных пользователей и операторов энергетических систем интеллектуальное управление охлаждением — это практическое улучшение, которое стоит учитывать при оценке общей энергоэффективности и надёжности эксплуатации оборудования для компенсации реактивной мощности.
FGI (WindSun Science & Technology Co., Ltd.) разрабатывает электроэлектронное оборудование и решения для повышения качества электроэнергии, промышленных приводов и преобразования энергии. В ассортименте продукции входят статические генераторы вар-вар (SVG), приводы с переменной частотой и системы преобразования энергии для накопления энергии для применения в энергетике, горнодобывающей промышленности, металлургии, возобновляемой энергетике и других промышленных отраслях.
FGI сочетает технологии силовой электроники с прикладной инженерией, чтобы помочь клиентам повысить производительность электрических систем, энергоэффективность и эксплуатационную надёжность.
