中壓三電平全功率風電變流器的實踐與思考 張魯華/博士

　　各位專家下午好，我們公司是從2001年開始做中壓三電平全功率風電變流器的，前面做了一套樣板機，到中間由于國內市場沒有打開，所以說中間停了一下，現在回頭去看我們做這個事情的歷程，有一點收獲和一些想法，在這里和大家分享一下。我說的東西可能不如前面的專家介紹的那么量化和細致，我從一個感性和綜合的角度來和大家分享一下，如果有不對的地方請大家批評指正。
 

　　因為上海電氣比較大，上海電氣風電公司的名氣比較小，我們輸配電集團，我是來自技術中心，我們輸配電集團下面還有電力電子有限公司，我先給大家理清一下這個關系，順便做個小廣告。
 

　　是這樣的，我們和風電公司的關系，實際上是我們分屬兩個不同的集團，我們是輸配電集團，他們也是集團級別的，我們總體上來說是他們的一個供應商。我們技術中心主要是做研發工作，研發主要是在新能源變流器，包括風電還有太陽能，生產是在電力電子有限公司。
 

　　就風電變流器來說，我們是從1.25開始做的，然后到2MW，3.6MW。除了風電變流器，我們還有主控和變槳這一部分。我們現在大概變流器有1800多套，1.25的大概是300多套，剩下是2MW的，還有變槳。
 

　　一開始在做項目立項的時候，中央炒的比較火，所以說我們做了一個調研，左邊這個圖是我們根據市場的反饋總結一下變流器的成本大概占成本的7%，由變流器引發的故障的停機率大概在19%-20%，所以說我們也在想壓變流器的成本到底合不合理，還有運行和維護成本，大概在1毛錢左右就有點太高了，所以說就引出下面這個問題，后面的變流器的功率等級還有發電機的形式往哪個方向發展，我們做了一些取舍。在功率等級方面大家肯定都是達成一致了，但是等級越大包括安裝、運行維護這個成本都應該比較低。
 

　　另外還有發電機的形式，我們從永磁或者雙饋，所以在系統的復雜程度上面，它和電網還是有一定的耦合度，所以說不如永磁來的簡單。還有雙饋也是這樣，從驅動形式上來講，現在我們拿到的數據，我們最近也是做了一項調研，全功率永磁發電機，它的造價基本上和它的額定轉速比是成反比的，所以大功率的傳動鏈如果沒有什么問題的話，我們認為半磁區的這個形式還會占據一段時間。全功率的持續的會占比較小的一部分。
 

　　從造價方面來說永磁的肯定比雙饋的，比其它形式的要貴，但是這個我們要找到一個突破口，如果說永磁系統這個優點，相對于其它系統的優點在哪里。從控制上來說它的變量比較少，它比其它的要簡單，從硬件方向來說為什么要選3000V不選690V，現在做大功率的比較少，690V其中的問題就是用的硬件模塊比較多，就有均流的問題，還有系統并聯，加一點硬件和軟件的控制，這樣來說無論從硬件的數量，還是從控制的復雜程度來說，永磁的還是相對來說比較簡單，如果單從數學的概率上來算的話，它的估算點還是比較少的，如果能保證永磁全功率的變流器它停機時間比較短，雖然說我初期的成本比其它方式要高，但是如果運行一兩年就能把初期投入的成本抓回來，所以說我覺得這一點應該是把中壓全功率推向市場的一個突破口。如果要是大規模鋪開的話，整個3000V中壓部件成本也會降低，這樣就會進入一個良性的循環。
 

　　電容前位，我們認為電容是一個不可控量，或者說是一個控制目標，它相當于增加了系統的復雜程度，所以說我們就選了二極管前位。關于系統的拓撲形式我們是選擇背靠背全控的形式，對于環流系統并聯，我們是兩個3MW的系統并聯，我這里花了一半。現在的拓撲形式也有一些啊價格比較低廉的一種方案，就是說在不控總流，一部分是諧波的問題，在它的動態響應方面還是比全控的系統要慢，所以我們還是選擇了全控的。
 

　　硬件方面我認為有下面幾個點需要注意一下，關于直流母排，實際上直流母排影響后面那幾個參數的設計，我們也是在做測試的時候發現了一些問題。因為一開始我們是把關于直流母排的東西全部看了一遍。這個換流回路，這個大家都清楚，因為它開關是不平衡的，逆變狀態下半個軸波是一直導透的，所以它的熱是不均衡的，在設計冷板的時候要考慮這個問題，這個是一個示意圖，我們算出來的熱容量。
 

　　還有一開始我們做的時候就像做雙饋一樣，要考慮到吸收電路，我們在做測試的時候發現如果要是做ICD或者ID這種形式都加上去的話，如果配合不好的話可能會更惡化這個現象。然后還有一個就是二極管前位只能前外管不能前內管，我們探索的時候就是加平衡電阻，加平衡電阻我們自己做試驗的時候發現的，如果配上平衡電阻不是很好選擇，因為有些是不可控的。所以我們平衡電阻也沒用。我們加一個吸收電路，不讓它諧振是可以做到的，所以考慮到管流的電壓應力，如果不用的話是可以接受的。
 

　　然后是軟的方面，我認為現在在大的控制策略方面沒有什么秘密，大家從文獻里面，或者是書上應該都可以找得到。現在中壓面臨的一個問題就是開關頻率比較低，這對于諧波的治理來說是比較困難的，因為低載荷的情況下可能會有載荷諧波，所以我覺得對于諧波的治理是比較重要的。在諧波治理方面我們經過實驗檢驗的幾個方法就是說重復控制看看誰比較好一點，還有就是低Q軸同軸旋轉，但是那個不能加很多。
 

　　總得來說，我們做2MW雙饋的經驗來講，一個可靠的系統，一個比較好的設計，應該是硬件和設計是能占到一個系統的最少60%。但是在軟件部分大的控制策略沒有什么秘密可言，就是說小的部分我們要精益求精，把它搞明白。從實際運行經驗來講，我們平常看不上眼的那些東西，比如說一個濾波器的設計，實際上這些東西在控制過程中都是起很大的作用的，你有些隱患的話如果這兩點處理不好就會引起很大的問題。但是總的來說，硬的設計和軟的設計還是要很好的結合起來。
 

　　后面這個問題就是說我們做了一下總結和梳理，但是這四個方面是一環扣一環的，總體上來說都是由于成本的壓力產生了這幾個問題。標準的問題我們在做的過程中一開始是3000V的系統絕緣配合，因為國內3000V在輸電側這個標準里面應該是處于一個比較尷尬的位置，絕緣配合我們最后還是參照了歐洲的機車標準來做的，就是15024，然后還有一個問題就是說可能有很多專家也都提過這個問題，就是風電變流器不可能長期處在滿發的狀態下，所以它的電流應力和電壓應力也不能一直按照額定工況來考慮，是不是有針對性的對我們這種情況做出相應的標準。然后至于關系到現在因為我們的裝機容量應該是世界第一，所以說我們以往的這些數據能不能拿過來比對一下，到底這個變流器一般運行在多大功率范圍之內，這樣來做一個指導，這樣的話對我們器件的選擇應該是很有利的，在降成本這一塊還是比較有幫助。

還有系統的設計，比方說我們做這一套樣機的時候，開關功率的設計，從3000V的角度我們只能設6000V和10千伏的設計，但是它有獨立成柜的時候這樣就要加大成本。我們在做3.6的雙饋定的側電壓也是3000V，但是我們這邊并網是用在相變，我們可以通過相變的取得負變的，這邊又可以省10萬塊錢。還有發電機的繞組形式，我們一開始也通過不同的渠道打聽過這個事情，一開始說雙饋發電機可以完全按照兩臺獨立的發電機來控制，但是實際運營中發現不同繞組之間的互感影響還是比較大的，如果兩套繞組機功率比較大的話，轉矩脈動還是比較大的。上個月在北京開會的時候，金風的總工也講他們也遇到這個問題，就是說功率相差很大，磁場可能就不那么圓。
 

　　還有一點就是我們要從系統的角度降成本，就是發電機的歷史強度，還有是因為變流器，因為變流器就是那么一個電流等級的，我們在留有安全用量的情況下可能還有一部分電流用量，我們考慮把那一部分電流用量余足，這樣可以結合起來，所以說這樣是一個比較好的方案。
 

　　還有一個就是冗余和容錯控制，現在陽光已經在用了。遠程維護這方面主要還是降低停機時間，保證發電量比其它的高。再就是元器件的選擇，剛才前面專家講了就是IGCT和IEGT還是比較好，但是為什么現在看到這個方案在下降，就是IGCT和IEGT有短路的特性，造成會把整個系統拖垮，會把失效展開，這個方面還有比方說壓裝這些東西，工藝的挑戰還是比較大的。硬件設計就是說我們利用以往的大數據把它定在一個合理的點上，并不一定一直要按買方的想法來設計。總體上就是這些，請大家指正。