2016年11月3日，在“2016中國風(fēng)電電氣裝備技術(shù)高峰論壇”的主題演講環(huán)節(jié)， 深圳市禾望電氣股份有限公司鄭大鵬 研發(fā)總監(jiān)作了幾種海上風(fēng)電變流器的對比分析的相關(guān)報(bào)告。
深圳市禾望電氣股份有限公司鄭大鵬 研發(fā)總監(jiān)
以下是大會(huì)演講內(nèi)容（現(xiàn)場筆錄）：
大家下午好，我的報(bào)告是海上風(fēng)電中的變流器，主要分析一下從低壓到中壓以及各種不同的技術(shù)之間的它的性能和可靠性的對比分析。一是海上風(fēng)電發(fā)電系統(tǒng)，二是海上風(fēng)電變流器全功率類型與對比分析；三是禾望低壓和中壓海上風(fēng)電變流器的解決方案。
我們大家都知道當(dāng)前陸上風(fēng)電的功率等級一般來說現(xiàn)在主要集中在2MW,功率范圍是1.5-3WM，海上風(fēng)電基本上是從3.6起，一直到現(xiàn)在商業(yè)化的7MW、，，可能很快有8MW，也有10MW的樣機(jī)，15MW具說也有很多人開始做了概念的設(shè)計(jì)，但是在陸上2MW——3MW一直是我們業(yè)內(nèi)的主流機(jī)型。像西門子154的機(jī)型，一個(gè)葉片剛好就是A380的一展。
海上風(fēng)電大家在國內(nèi)現(xiàn)在常見的還都是單樁或者是重力，也有多樁，像這種浮臺式的還是在研究階段，因?yàn)榛A(chǔ)在我們整個(gè)海上風(fēng)電系統(tǒng)里會(huì)占到30%以上，所以說我們到海上風(fēng)電5MW以上才開始有成本優(yōu)勢。
海上風(fēng)電其實(shí)它的電力系統(tǒng)跟我們陸上風(fēng)電技術(shù)上是類似的，從學(xué)術(shù)界很多年以來大家就在探討是不是走柔值來進(jìn)行海上的輸電，但是從這些年的研究看起來，因?yàn)橹袊木W(wǎng)上風(fēng)電還在剛剛起動(dòng)，適合建海上風(fēng)電的位置還是非常多，所以從這個(gè)研究上看起來，如果距離在80公里以內(nèi)，單個(gè)風(fēng)場傳輸?shù)墓β试?00-400M，這樣容量的范圍內(nèi)，還是最常見的高溫交流。最有經(jīng)濟(jì)性的一種方案。當(dāng)然將來如果說海上風(fēng)電走到百公里，單個(gè)風(fēng)場容量達(dá)到接近GW的容量的時(shí)候，應(yīng)該是進(jìn)入了直流輸電的范疇了。從海上風(fēng)電的收集來看有很多種連接方式，最簡單的就是單支路的新型的，為了提高可靠性，我們看到有雙支路、環(huán)形的、雙邊環(huán)形的等等，來提供風(fēng)電系統(tǒng)的可靠性。
從風(fēng)機(jī)的脫口看起來，經(jīng)過這十幾年的發(fā)展，有變速的有恒速的，跟他們配合這個(gè)變流器也就有全功率的時(shí)候，還有部分歸路的變流器，也就是我們說的目前。從當(dāng)前來看華銳造的是相當(dāng)早的，6MW的，但是雙饋技術(shù)，把陸上的直接移植到海上風(fēng)電，但是目前從全世界來看這種方式好像差不多，西門子用異步發(fā)電機(jī)，它的好處是免維護(hù)，但是它電機(jī)的結(jié)構(gòu)式非常簡單，但是這個(gè)平臺帶來的一個(gè)問題就是功率越向大發(fā)展，越困難，因?yàn)檫@個(gè)異步電機(jī)是通過轉(zhuǎn)子、定子、耦合過去的，所這個(gè)電機(jī)越小越好，電機(jī)大到一定程度上很難加工了，所以現(xiàn)在看起來這個(gè)平臺也是到了4MW，包括西門子到5M、6M、7M、8M改了技術(shù)方案，改為直驅(qū)方案，所以第三個(gè)方案就是西門子的直驅(qū)方案，現(xiàn)在國內(nèi)的湘電5MW也是采用DD115的這種直驅(qū)方案。
半直驅(qū)方案就是相當(dāng)普遍，因?yàn)榇蠹铱紤]到一個(gè)是成本，一個(gè)是性能的兼容，所以現(xiàn)在像海裝、太重、東汽、北車、華創(chuàng)等等，都在考慮走半直驅(qū)的路線，他就是有一個(gè)一級的沉箱，現(xiàn)在看來主流的技術(shù)方案就是這三種。
下面簡單介紹一下這幾種方案的變流器的對比，從現(xiàn)在看起來變流器現(xiàn)在是各種方案也都有，一種是我們在陸上風(fēng)電用的兩變頻的690V的低壓全功率變流器，也有用中壓的級聯(lián)型的，第三種就是IGBT全功率變流器中壓3000伏的，第四種是禾望做的IGCT全功率變流器，現(xiàn)在來看從全球大的變頻器的主流方向從過去的20年不管是ABB，還是西門子，還有三菱大功率的變頻器，還有GE的開發(fā)的變頻器只要是4WM、5WM以上幾乎都是IGCT的方案，這是主流變頻器。但是我們在國內(nèi)以前有過失敗的教訓(xùn)，所以大家比較害怕IGCT這個(gè)東西，所以在90年代2000年左右大家都把這些東西放棄掉了。低壓IGBT就很簡單，就用兩臺或者多臺低壓的機(jī)型把它直接并聯(lián)起來，因?yàn)槲覀兾覀兊腎GBT的機(jī)型很難做到3兆瓦以上。但是是直接并聯(lián)，還有變壓器拆雙繞阻來并聯(lián)。
第二種就是走級聯(lián)，級聯(lián)的好處大家都很熟悉，就是du-dt小，最重要的就是成本優(yōu)勢，這個(gè)時(shí)候它這個(gè)直線無限的容量10個(gè)字的時(shí)候就要再大5倍！這個(gè)從技術(shù)上是可行，從產(chǎn)品上是不可行的。所以現(xiàn)在拓?fù)渲豢吹接腥俗隽藰訖C(jī)，還沒有真正做應(yīng)用。
第三種就是SM150還是Abb的SS6000等等的這些主流的機(jī)型我們看到的都是這些拓?fù)洌瑔喂茏畲罂梢宰龅?2兆瓦，但是在風(fēng)電是不能做到最好的，所以同樣的傳動(dòng)里面10兆瓦的變頻器，在我們那里只能當(dāng)做7兆瓦來使用。它的好處就是不串不并，拓?fù)浞浅：唵危褪潜晨勘车耐負(fù)?4支硅片，每一個(gè)就是一個(gè)獨(dú)立的硅片，器件數(shù)量非常少。
這是四種方案的一個(gè)簡單對比，這個(gè)是用它來進(jìn)行功率密度、器件數(shù)量還有損耗，所以做6MW的變流器的話，意味著內(nèi)部的IGBT可能加起來是在1500V，器件值最少的就是IGCT，一共72器件可以構(gòu)成一個(gè)在我們風(fēng)電領(lǐng)域用7MW的背靠背的變頻器。
從成本上來對比，四種方案成本相差不大，對比的是電氣系統(tǒng)，包括箱變、電機(jī)、電纜和變流器，大概上下只差100萬左右，但是從體積，因?yàn)镮GCT做得體積非常小，從體積、效率、可維護(hù)性，各方面可靠性，這是我們在海上風(fēng)電里特別關(guān)注的四點(diǎn)，從這幾個(gè)方面綜合來考慮，我們得出的結(jié)論跟金風(fēng)得出的結(jié)論有點(diǎn)偏差，我們IGCT認(rèn)為這個(gè)才是主流的。
下邊簡單介紹一下禾望低壓和中壓海上各種變流器的解決方案。第一種就是我們直接拿690低壓并聯(lián)，并聯(lián)成為4MW或者5MW、6MW這樣的機(jī)型，第二個(gè)就是單機(jī)型的，為了適應(yīng)海上風(fēng)電的高功率密度的要求，禾望現(xiàn)在也有一種4MW的不需要并聯(lián)的單機(jī)密度的機(jī)型，然后還有3000V的中壓，就是5MW、6MW、7MW，現(xiàn)在正在開發(fā)8MW的機(jī)型。
這個(gè)就是上面說的簡單并聯(lián)。它的好處就是產(chǎn)品非常成熟，因?yàn)檫@種變流器禾望在現(xiàn)場應(yīng)用都是以數(shù)千臺來計(jì)，所以從可靠性，從技術(shù)的成熟度來說都是非常好的，而且兩臺可以獨(dú)立的運(yùn)行，也就是說有一臺壞了，還有一臺還可以發(fā)一半的電，但是從另外一個(gè)角度來說，這樣的產(chǎn)品它的器件數(shù)量太多了，它出現(xiàn)故障的可能性也會(huì)高非常多。從布局來看，布局也非常靈活，可以分層放也可以單層放，結(jié)構(gòu)也比較緊湊，還可以跟水冷機(jī)配成一起。這是4MW的一個(gè)單機(jī)的機(jī)型，這個(gè)可能是我見到的功率密度最高的一種4MW機(jī)型，就這樣一個(gè)單機(jī)可以到背靠背4MW，寬度是2.7米，深度是1.3米。
這個(gè)是中壓的機(jī)型，寬度是3.3米，這是一個(gè)外形圖，這個(gè)產(chǎn)品的特點(diǎn)就是中壓的5、6、7三個(gè)現(xiàn)在是商用機(jī)型，正在開發(fā)的是8MW，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型是IP54防護(hù)等級，設(shè)計(jì)壽命25年，基本的機(jī)型C4防鹽霧等級，它的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是它的功率密度高，剛才看到這個(gè)機(jī)型只有3.3米的寬度就可以做到8MW。
這是內(nèi)部的一個(gè)布局圖，就是我們說的背靠背，從功率上來是完全一模一樣的，中間是斬波器，右側(cè)是一個(gè)布局的示意圖，在5.8米塔筒內(nèi)部的布局。從電機(jī)拓?fù)鋪碚f是非常簡潔的，內(nèi)部采用了大量冗余設(shè)計(jì)，因?yàn)槲覀兒Ｉ巷L(fēng)電里面最關(guān)心的就是可靠，可靠一個(gè)是從設(shè)計(jì)上來保證，用更少的器件，更簡單的拓?fù)洌€有萬一壞了要有冗余設(shè)計(jì)，所以在所有輔助電源，控制電源部分都是具有冗余的，任何控制電源的損壞都不會(huì)導(dǎo)致整機(jī)的停機(jī)。水冷系統(tǒng)也是雙泵冗余，可選控制系統(tǒng)，也就是這個(gè)大腦，經(jīng)常有人問大腦壞了怎么辦？這個(gè)控制器冗余也是可選的，可在線切換。還有人質(zhì)疑去離子水循環(huán)是不是比較復(fù)雜，其實(shí)并不復(fù)雜，就是做一個(gè)去離子罐就可以了，比一個(gè)氫氣瓶還要小的罐子，更換起來也不復(fù)雜。這是水冷的最右側(cè)的小的立柱就是去離子罐。
這是在湘潭牽引電機(jī)設(shè)備研究所做的型式實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)候做的照片，這個(gè)在也通過了湘潭的型式實(shí)驗(yàn)，這個(gè)機(jī)型有幾個(gè)關(guān)鍵性的特點(diǎn)，一個(gè)是并網(wǎng)質(zhì)量，發(fā)電質(zhì)量非常好，并網(wǎng)的電流諧波在滿載的時(shí)候只有百分之一點(diǎn)幾，在20%負(fù)載的時(shí)候也就只有百分之二點(diǎn)幾，通過特殊的諧波控制算法，能夠保證并網(wǎng)電流質(zhì)量是非常完美。
這個(gè)特點(diǎn)就是它的效率問題，因?yàn)樵诤Ｉ巷L(fēng)電，每度電都是8毛錢，它的加權(quán)效率會(huì)接近98%，可能97.5%以上，它在小功率的時(shí)候就具有很高的效率，所以從整機(jī)效率上來說，比低壓的方案可能會(huì)高出百分之三點(diǎn)幾，這樣發(fā)電效率的提升在風(fēng)電里面是非常非常可觀的，這百分之三點(diǎn)幾是怎么高出來的？一個(gè)是變流器自身的效率，變流器自身一般低壓我們說最大效率是97%，實(shí)際上加權(quán)效率可能接近96%，所以中壓變流器和低壓變流器如果按照發(fā)電量來算就要算加權(quán)效率，電纜上還有大約零點(diǎn)八個(gè)點(diǎn)提升，再加上電機(jī)，因?yàn)橹袎弘姍C(jī)效率非常高，所以這樣中壓電機(jī)會(huì)比低壓電機(jī)會(huì)高一點(diǎn)，這樣加起來就三點(diǎn)幾個(gè)點(diǎn)，如果折合到6MW的海上風(fēng)電的發(fā)電機(jī)組來看的話，每年可以多發(fā)電72萬度，8毛錢1度電就是60萬人民幣每年的發(fā)電收益，所以我們認(rèn)為中壓的IGCT應(yīng)該是海上風(fēng)電最好的選擇。
再說過載的能力，從整機(jī)上來看可以做到150%的過載，這樣對電網(wǎng)的瞬態(tài)過程提供良好的穿越能力。IGCT可提供20倍/10ms以上的短時(shí)過載能力，所以IGCT是一種非常可靠的器件，耐非常大的電流沖擊短路。這是內(nèi)部的一個(gè)設(shè)計(jì)，這個(gè)是IGCT的一個(gè)模塊，這是一個(gè)單向的NPC。這個(gè)也是用戶經(jīng)常問的一個(gè)問題，就是這么大的模塊在現(xiàn)場怎么拆裝？我們提供每臺機(jī)器會(huì)配一個(gè)工裝，可以保證在現(xiàn)場兩個(gè)人可以很方便的拆裝這個(gè)模塊，當(dāng)然也可以直接換硅片，因?yàn)镮GCT的硅片也是非常容易更換的。
另外就是一些風(fēng)電必備的標(biāo)準(zhǔn)功能，比如說高穿、低穿、零穿，耐受電網(wǎng)等等，并且可以適配各種各樣的電機(jī)，無論是感應(yīng)電機(jī)，還是電力磁的，在調(diào)試的時(shí)候可以做4V運(yùn)行來定位，而且轉(zhuǎn)矩也非常小，大概在5-10ms范圍，所以滿足我們對系統(tǒng)機(jī)械振蕩的這些抑制需求。另外還提供一個(gè)非常強(qiáng)大的監(jiān)控軟件，這個(gè)是在海上風(fēng)電也是必需的功能。我的匯報(bào)就到這兒，謝謝大家！
