深圳市禾望電氣股份有限公司研發(fā)總監(jiān)鄭大鵬：海上風(fēng)電機(jī)組中壓變流系統(tǒng)

 

　　下面簡(jiǎn)單看一下低壓方案，禾望現(xiàn)在就是4MW的單機(jī)，如果4MW以上的5MW，6MW都是并聯(lián)出來(lái)的，可以說(shuō)我們現(xiàn)在在海上風(fēng)電領(lǐng)域國(guó)內(nèi)現(xiàn)在除了用ABB的變頻器的，還有用進(jìn)口的像西門(mén)子自己自帶的之外，幾乎所有廠家就是海上風(fēng)電我們?nèi)慷几采w了。所以我們?cè)谶@方面還是跟很多的做海上風(fēng)電的整機(jī)廠都有很多的交流。像低壓方案就是他技術(shù)非常成熟，功率密度相對(duì)也是比較高的，因?yàn)榻^緣這方面的壓力都很小，成本低這是最大的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗陉懮巷L(fēng)電等等這些方案被大量使用。

 

　　中壓的IGBT的我們幾年前也做過(guò)這種方案，但是它也跟低壓面臨類似的問(wèn)題，單機(jī)容量太小。因?yàn)橹袎旱腎GBT4.5千伏想要并聯(lián)基本上存在各種風(fēng)險(xiǎn)，如果到5MW就要兩臺(tái)并聯(lián)，如果到5MW以上到7MW、8MW就需要三臺(tái)并聯(lián)，所以說(shuō)整體的體積成本還是有點(diǎn)不太具有優(yōu)勢(shì)。

 

　　然后就是IGCT，IGCT不需要并聯(lián)，一個(gè)IGCT用在3000千伏的話，單機(jī)可以用到12個(gè)MW，但是用在我們風(fēng)電里面就只能用到8點(diǎn)幾MW，我們大型工廠里面有冷水管，一般是30度左右的冷水輸進(jìn)來(lái)，但是我們風(fēng)電一般用空氣散熱器，所以水溫是50度，就是20度的溫度差導(dǎo)致12兆瓦的變流在我們風(fēng)電領(lǐng)域只能做8MW左右用。

 

　　IEGT其實(shí)就是IGBT的硅電直接通過(guò)壓接方式的IEGT，里面都是一些小的硅片，上面用木塊把它壓起來(lái)，然后做成壓接型的，中壓的4.5千伏的IEGT電流最大的就是50安培，加入150安培的意味著里面有25支硅片并聯(lián)，這只是IGBT，IGCT就簡(jiǎn)單多了，就是一支硅片，4000安培的平均可能電流是1400左右，如果有效值可能會(huì)高一點(diǎn)，1600、1700。

 

　　對(duì)比來(lái)說(shuō)IGCT跟IEGT，最近總有客戶來(lái)問(wèn)我這個(gè)問(wèn)題，對(duì)比來(lái)說(shuō)就是IGCT的損耗相當(dāng)?shù)停驗(yàn)镮GBT的損耗本來(lái)就是最高的，所以從整體的放電效率來(lái)說(shuō)IGCT是一種非常優(yōu)秀的變流器。像ABB的中壓變流幾乎全部都是IGCT的，他在幾年之前大概全世界有6000臺(tái)的裝機(jī)量，全都是IGCT的。

 

　　這是一個(gè)對(duì)比，可能這個(gè)數(shù)據(jù)有點(diǎn)多，但是我們海上風(fēng)電第一關(guān)注的就是可靠性，從這個(gè)器件的數(shù)量上來(lái)看，器件的數(shù)量像低壓的話意味著我們要用8MW，如果是IGET是要52支，IGBT同樣是78支，內(nèi)部一樣很多的并聯(lián)。這三種可能算起來(lái)IGBT都是用千來(lái)計(jì)的，大家知道一個(gè)硅片的可靠性大概是20個(gè)PPM，30個(gè)PPM左右，如果論一千只，兩千只，三千只器件的時(shí)候天然就具有高故障率。IGCT就是62支IGCT，器件非常好，從效率、成本、體積綜合各方面來(lái)考慮，IGCT非常具有優(yōu)勢(shì)。

 

　　下面介紹一下我們現(xiàn)在這個(gè)產(chǎn)品，IGCT變流器的解決方案，IGCT大家也有人再說(shuō)這個(gè)器件是不是新器件？其實(shí)不是新器件，全世界已經(jīng)是成熟20年的器件，它是在GDO的基礎(chǔ)上，所以我們發(fā)展出來(lái)的。它的硅片面積和開(kāi)關(guān)損耗，關(guān)斷損耗，們及驅(qū)動(dòng)功率比較大，在損耗方面跟IGBT在中壓上的來(lái)比具有巨大的優(yōu)勢(shì)。

 

　　從拓?fù)鋪?lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的三電平拓?fù)洌鋵?shí)簡(jiǎn)單不是這樣，IGCT需要一個(gè)DIDT，所以一般來(lái)說(shuō)我們有DIDT的限制電路。同時(shí)我們現(xiàn)在也開(kāi)發(fā)出來(lái)用ANPC把容量進(jìn)一步提高，而且多了一個(gè)控制的維度，控制起來(lái)就會(huì)更得心應(yīng)手一些。

 

　　同樣為了提高IGCT的利用率，因?yàn)镮GCT在整機(jī)成本里占了50%以上，所以怎么把這個(gè)管子能利用到最大？所以我們現(xiàn)在加了一些吸收電路，用于10兆伏安的拓?fù)溥@樣容量更大，放在風(fēng)電就是8點(diǎn)幾的兆伏安，它就是把關(guān)斷時(shí)候的損耗給大幅度的降低了，理論上當(dāng)然可以降低80%幾，但實(shí)際上我們大概可以降低60%左右，因?yàn)殛P(guān)斷損耗對(duì)IGCT來(lái)說(shuō)是最大的一塊損耗。

 

　　使用IGCT它最核心的一個(gè)問(wèn)題就是如何保護(hù)它，因?yàn)镮GCT它跟IGBT不一樣，IGBT過(guò)流天然就有阻斷作用，但是IGCT不行，所以IGCT最重要的，就是它這個(gè)可關(guān)斷能力4000安培，超過(guò)4000安培就不可關(guān)斷，所以這時(shí)候我們要如何去保護(hù)它？第一就是分流，因?yàn)镮GCT本身耐流能力非常強(qiáng)，可以耐百分之一千多，而且是10毫秒，而我們一般IGBT只能耐百分之二百，所以盡管把它打通掉，這就是打通之后的振動(dòng)波形。但是現(xiàn)在我們通過(guò)高速的邏輯判斷，把這個(gè)狀態(tài)停下來(lái)。大家也有人經(jīng)常問(wèn)IGCT的開(kāi)關(guān)頻率這么低怎么辦？其實(shí)不管IGCT、IGBT還是IEGT，到了中壓1500v它們?nèi)齻€(gè)的開(kāi)關(guān)頻率非常接近，IGCT只是稍微略低一點(diǎn)，因?yàn)槲覀兂鲇趽p耗的角度不希望把它的開(kāi)關(guān)頻率弄得很高。不管是哪一種器件做的中壓的三電平，都是必須要做特定磁消斜的。

 

　　其實(shí)這個(gè)算法做好了之后我們實(shí)測(cè)的結(jié)果就是中壓的三電平的拓?fù)渥龅米兞髌鞯碾娏髦C波，而我們一般的兩電平的低壓190V的就是標(biāo)準(zhǔn)限制是5%。

 

　　這是一個(gè)真實(shí)的拓?fù)洌瑥哪銈冞@邊看左邊是機(jī)側(cè)，右邊是網(wǎng)側(cè)，網(wǎng)側(cè)有網(wǎng)側(cè)濾波器，機(jī)側(cè)有機(jī)側(cè)濾波器。這是一個(gè)真實(shí)的產(chǎn)品，因?yàn)檫@個(gè)跟我們?cè)谄渌I(lǐng)域用的都不一樣，我們?cè)谄渌I(lǐng)域比如在冶金我們都做成一字排開(kāi)的電器柜，但是我們風(fēng)電領(lǐng)域做成兩排，是為了把它布在5米8的圓形塔筒里面。

 

　　這是我們的功率模組，一項(xiàng)一個(gè)三電平的橋壁（音），它是一個(gè)兼容性的設(shè)計(jì)，這樣這個(gè)功率如果用MPC再加上緩沖的話差不多可以到14個(gè)兆伏安。這是我們?cè)谶@個(gè)基礎(chǔ)上做的24個(gè)兆伏安的電力機(jī)的同步電機(jī)的變流器，是個(gè)五電平的，整個(gè)產(chǎn)品就是從5M到24M是個(gè)全系列的產(chǎn)品，風(fēng)電僅僅是這個(gè)系列產(chǎn)品的一個(gè)應(yīng)用。這是我們2015年在湘電做試驗(yàn)，后來(lái)2016年底在張北全面通過(guò)測(cè)試。大家很多的擔(dān)憂通過(guò)這次測(cè)試是徹底的解決了，因?yàn)榇蟾耪麄€(gè)調(diào)試測(cè)試上電，最后把這個(gè)機(jī)器滿發(fā)起來(lái)，電網(wǎng)適應(yīng)性都測(cè)完大概就是兩個(gè)星期，非常快。同樣的我們說(shuō)國(guó)際上最強(qiáng)的ABB，他大概花了一年的時(shí)間，炸了20幾支管才開(kāi)始完成整個(gè)試驗(yàn)。同樣現(xiàn)在我們正在做8MW的，應(yīng)該很快的就會(huì)發(fā)貨了。下面就是有一些特殊的設(shè)計(jì)，比如在中壓里面在海上風(fēng)電必須保證冗余，保證可靠性，去離子劑，不能讓人經(jīng)常一年去換去離子計(jì)，去離子劑大概是五年的壽命，其實(shí)去例子劑是很便宜，關(guān)緊是要人換。其他就是諧波測(cè)試，大概在滿載的時(shí)候在1%點(diǎn)，在20%左右的時(shí)候負(fù)載就是在2%點(diǎn)幾。

 

　　效率是IGCT最突出的一個(gè)特點(diǎn)，跟低壓相比像97%的效率可以在百分之十幾的負(fù)載的時(shí)候就可以達(dá)到了，不僅僅是最高效率點(diǎn)，比低壓高很多，而且它的加權(quán)效率，低壓的話它的效率曲線是不太好看的，加權(quán)效率意味著真實(shí)的發(fā)電量，整體看如果把電纜的損耗考慮進(jìn)去，然后把電機(jī)的損耗考慮進(jìn)去的話，因?yàn)楦邏弘姍C(jī)比低壓電機(jī)效率高，因?yàn)楦邏弘姍C(jī)端部繞組少，所以它的電機(jī)效率會(huì)高0.3-0.5個(gè)點(diǎn)，所以整體看到就是3-3.5，就是低壓方案跟中壓方案相比。所以對(duì)于8MW系統(tǒng)每年就是多發(fā)電90萬(wàn)度電，大概就是80萬(wàn)塊錢(qián)，給變流器上多付出那一百多萬(wàn)，大概一年多就賺回來(lái)了。

 

　　大過(guò)載能力，IGCT是天然的大過(guò)載能力，20倍以上的電流。從安裝上來(lái)說(shuō)IGCT這個(gè)東西本身比較重，像西門(mén)子他們同樣功率的是350公斤，我們現(xiàn)在做到170公斤，但是170公斤還是相當(dāng)困難，所以我們每臺(tái)機(jī)器隨機(jī)都會(huì)帶著一點(diǎn)配件，這樣的話保證在現(xiàn)場(chǎng)可以很容易的裝卸。其他的就是高穿、低穿、零穿這些東西都已經(jīng)做過(guò)很多實(shí)驗(yàn)，包括阻抗比，禾望所有的風(fēng)電產(chǎn)品都可以做到2，甚至更低一點(diǎn)到1.6，通過(guò)發(fā)無(wú)功的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，謝謝大家！