郑大鹏 ：几种海上风电变流器的对比分析

　　2016年11月3日，在“2016中国风电电气装备技术高峰论坛”的主题演讲环节， 深圳市禾望电气股份有限公司郑大鹏 研发总监作了几种海上风电变流器的对比分析的相关报告。

　　以下是大会演讲内容（现场笔录）：

　　大家下午好，我的报告是海上风电中的变流器，主要分析一下从低压到中压以及各种不同的技术之间的它的性能和可靠性的对比分析。一是海上风电发电系统，二是海上风电变流器全功率类型与对比分析；三是禾望低压和中压海上风电变流器的解决方案。

　　我们大家都知道当前陆上风电的功率等级一般来说现在主要集中在2MW,功率范围是1.5-3WM，海上风电基本上是从3.6起，一直到现在商业化的7MW、，，可能很快有8MW，也有10MW的样机，15MW具说也有很多人开始做了概念的设计，但是在陆上2MW——3MW一直是我们业内的主流机型。像西门子154的机型，一个叶片刚好就是A380的一展。

　　海上风电大家在国内现在常见的还都是单桩或者是重力，也有多桩，像这种浮台式的还是在研究阶段，因为基础在我们整个海上风电系统里会占到30%以上，所以说我们到海上风电5MW以上才开始有成本优势。

　　海上风电其实它的电力系统跟我们陆上风电技术上是类似的，从学术界很多年以来大家就在探讨是不是走柔值来进行海上的输电，但是从这些年的研究看起来，因为中国的网上风电还在刚刚起动，适合建海上风电的位置还是非常多，所以从这个研究上看起来，如果距离在80公里以内，单个风场传输的功率在300-400M，这样容量的范围内，还是最常见的高温交流。最有经济性的一种方案。当然将来如果说海上风电走到百公里，单个风场容量达到接近GW的容量的时候，应该是进入了直流输电的范畴了。从海上风电的收集来看有很多种连接方式，最简单的就是单支路的新型的，为了提高可靠性，我们看到有双支路、环形的、双边环形的等等，来提供风电系统的可靠性。

　　从风机的脱口看起来，经过这十几年的发展，有变速的有恒速的，跟他们配合这个变流器也就有全功率的时候，还有部分归路的变流器，也就是我们说的目前。从当前来看华锐造的是相当早的，6MW的，但是双馈技术，把陆上的直接移植到海上风电，但是目前从全世界来看这种方式好像差不多，西门子用异步发电机，它的好处是免维护，但是它电机的结构式非常简单，但是这个平台带来的一个问题就是功率越向大发展，越困难，因为这个异步电机是通过转子、定子、耦合过去的，所这个电机越小越好，电机大到一定程度上很难加工了，所以现在看起来这个平台也是到了4MW，包括西门子到5M、6M、7M、8M改了技术方案，改为直驱方案，所以第三个方案就是西门子的直驱方案，现在国内的湘电5MW也是采用DD115的这种直驱方案。

　　半直驱方案就是相当普遍，因为大家考虑到一个是成本，一个是性能的兼容，所以现在像海装、太重、东汽、北车、华创等等，都在考虑走半直驱的路线，他就是有一个一级的沉箱，现在看来主流的技术方案就是这三种。

　　下面简单介绍一下这几种方案的变流器的对比，从现在看起来变流器现在是各种方案也都有，一种是我们在陆上风电用的两变频的690V的低压全功率变流器，也有用中压的级联型的，第三种就是IGBT全功率变流器中压3000伏的，第四种是禾望做的IGCT全功率变流器，现在来看从全球大的变频器的主流方向从过去的20年不管是ABB，还是西门子，还有三菱大功率的变频器，还有GE的开发的变频器只要是4WM、5WM以上几乎都是IGCT的方案，这是主流变频器。但是我们在国内以前有过失败的教训，所以大家比较害怕IGCT这个东西，所以在90年代2000年左右大家都把这些东西放弃掉了。低压IGBT就很简单，就用两台或者多台低压的机型把它直接并联起来，因为我们我们的IGBT的机型很难做到3兆瓦以上。但是是直接并联，还有变压器拆双绕阻来并联。

　　第二种就是走级联，级联的好处大家都很熟悉，就是du-dt小，最重要的就是成本优势，这个时候它这个直线无限的容量10个字的时候就要再大5倍！这个从技术上是可行，从产品上是不可行的。所以现在拓扑只看到有人做了样机，还没有真正做应用。

　　第三种就是SM150还是Abb的SS6000等等的这些主流的机型我们看到的都是这些拓扑，单管最大可以做到12兆瓦，但是在风电是不能做到最好的，所以同样的传动里面10兆瓦的变频器，在我们那里只能当做7兆瓦来使用。它的好处就是不串不并，拓扑非常简单，就是背靠背的拓扑24支硅片，每一个就是一个独立的硅片，器件数量非常少。

　　这是四种方案的一个简单对比，这个是用它来进行功率密度、器件数量还有损耗，所以做6MW的变流器的话，意味着内部的IGBT可能加起来是在1500V，器件值最少的就是IGCT，一共72器件可以构成一个在我们风电领域用7MW的背靠背的变频器。

　　从成本上来对比，四种方案成本相差不大，对比的是电气系统，包括箱变、电机、电缆和变流器，大概上下只差100万左右，但是从体积，因为IGCT做得体积非常小，从体积、效率、可维护性，各方面可靠性，这是我们在海上风电里特别关注的四点，从这几个方面综合来考虑，我们得出的结论跟金风得出的结论有点偏差，我们IGCT认为这个才是主流的。

　　下边简单介绍一下禾望低压和中压海上各种变流器的解决方案。第一种就是我们直接拿690低压并联，并联成为4MW或者5MW、6MW这样的机型，第二个就是单机型的，为了适应海上风电的高功率密度的要求，禾望现在也有一种4MW的不需要并联的单机密度的机型，然后还有3000V的中压，就是5MW、6MW、7MW，现在正在开发8MW的机型。

　　这个就是上面说的简单并联。它的好处就是产品非常成熟，因为这种变流器禾望在现场应用都是以数千台来计，所以从可靠性，从技术的成熟度来说都是非常好的，而且两台可以独立的运行，也就是说有一台坏了，还有一台还可以发一半的电，但是从另外一个角度来说，这样的产品它的器件数量太多了，它出现故障的可能性也会高非常多。从布局来看，布局也非常灵活，可以分层放也可以单层放，结构也比较紧凑，还可以跟水冷机配成一起。这是4MW的一个单机的机型，这个可能是我见到的功率密度最高的一种4MW机型，就这样一个单机可以到背靠背4MW，宽度是2.7米，深度是1.3米。

　　这个是中压的机型，宽度是3.3米，这是一个外形图，这个产品的特点就是中压的5、6、7三个现在是商用机型，正在开发的是8MW，标准机型是IP54防护等级，设计寿命25年，基本的机型C4防盐雾等级，它的一个重要的特点就是它的功率密度高，刚才看到这个机型只有3.3米的宽度就可以做到8MW。

　　这是内部的一个布局图，就是我们说的背靠背，从功率上来是完全一模一样的，中间是斩波器，右侧是一个布局的示意图，在5.8米塔筒内部的布局。从电机拓扑来说是非常简洁的，内部采用了大量冗余设计，因为我们海上风电里面最关心的就是可靠，可靠一个是从设计上来保证，用更少的器件，更简单的拓扑，还有万一坏了要有冗余设计，所以在所有辅助电源，控制电源部分都是具有冗余的，任何控制电源的损坏都不会导致整机的停机。水冷系统也是双泵冗余，可选控制系统，也就是这个大脑，经常有人问大脑坏了怎么办？这个控制器冗余也是可选的，可在线切换。还有人质疑去离子水循环是不是比较复杂，其实并不复杂，就是做一个去离子罐就可以了，比一个氢气瓶还要小的罐子，更换起来也不复杂。这是水冷的最右侧的小的立柱就是去离子罐。

　　这是在湘潭牵引电机设备研究所做的型式实验研究的时候做的照片，这个在也通过了湘潭的型式实验，这个机型有几个关键性的特点，一个是并网质量，发电质量非常好，并网的电流谐波在满载的时候只有百分之一点几，在20%负载的时候也就只有百分之二点几，通过特殊的谐波控制算法，能够保证并网电流质量是非常完美。

　　这个特点就是它的效率问题，因为在海上风电，每度电都是8毛钱，它的加权效率会接近98%，可能97.5%以上，它在小功率的时候就具有很高的效率，所以从整机效率上来说，比低压的方案可能会高出百分之三点几，这样发电效率的提升在风电里面是非常非常可观的，这百分之三点几是怎么高出来的？一个是变流器自身的效率，变流器自身一般低压我们说最大效率是97%，实际上加权效率可能接近96%，所以中压变流器和低压变流器如果按照发电量来算就要算加权效率，电缆上还有大约零点八个点提升，再加上电机，因为中压电机效率非常高，所以这样中压电机会比低压电机会高一点，这样加起来就三点几个点，如果折合到6MW的海上风电的发电机组来看的话，每年可以多发电72万度，8毛钱1度电就是60万人民币每年的发电收益，所以我们认为中压的IGCT应该是海上风电最好的选择。

　　再说过载的能力，从整机上来看可以做到150%的过载，这样对电网的瞬态过程提供良好的穿越能力。IGCT可提供20倍/10ms以上的短时过载能力，所以IGCT是一种非常可靠的器件，耐非常大的电流冲击短路。这是内部的一个设计，这个是IGCT的一个模块，这是一个单向的NPC。这个也是用户经常问的一个问题，就是这么大的模块在现场怎么拆装？我们提供每台机器会配一个工装，可以保证在现场两个人可以很方便的拆装这个模块，当然也可以直接换硅片，因为IGCT的硅片也是非常容易更换的。

　　另外就是一些风电必备的标准功能，比如说高穿、低穿、零穿，耐受电网等等，并且可以适配各种各样的电机，无论是感应电机，还是电力磁的，在调试的时候可以做4V运行来定位，而且转矩也非常小，大概在5-10ms范围，所以满足我们对系统机械振荡的这些抑制需求。另外还提供一个非常强大的监控软件，这个是在海上风电也是必需的功能。我的汇报就到这儿，谢谢大家！