CWPE2019：禾望电气王武华：大功率海上风电电气装备关键技术

 

　　以下为演讲实录：

 

　　非常荣幸有这个机会和各位嘉宾和领导共同分享大功率海上风电电器装备关键技术。今天我花一分钟的时间对我们的禾望电气做介绍，再进行海上风电变流器和远程运维技术以及无功补偿的技术交流。

 

　　禾望电气是总部位于深圳市的高新技术企业，我们主要从事新能源电控和传动产品的研发、生产、销售和服务，现在大概有1011人，有651人是非生产人员，大概有51%是属于研发团队。总部在深圳，大概有2万平的研发（面积），生产是在宝安、松岗还有苏州、东莞、盐城，总共有10万平的面积。目前我们有3条完整的产品线：风电产品线、光伏产品线和传动产品线，基本上每一块业务都可以生产相关行业的全部电器设备。

 

　　关于海上风电变流器，目前有三个方向：一个是3300V三电平海上风电，一个是1140V三电平海上风电，第三个是690V三电平海上风电。

 

　　传统的大功率海上风电都是把变流器安装在塔筒下，这样有一个扭缆的问题比较难解决。基本在6兆瓦的时候我们的电流在6000A，也就是当前接受的最大电流，当功率大于6MW-8MW的时候基本上不能把这个电流器安装在塔筒下面。这样有三个解决方案：第一个是把电压提升在3300V，然后把3300V的电压送到塔筒下面；第二个是1140V的方案，同样和3300V是一样，但是它可扩升的容量相比3300要小一些；第三个是传统的690V的系统电压，把箱变、变流器放在机舱上，通过35千瓦的电缆把电流输送到塔筒下面。

 

　　传统的功率器件有低压的IGBT，高压的IGBT还有IGCT、GTO。在这里面IGCT是值得关注的器件，它是1997年ABB在GTO的基础上推出来的，导通损耗、开关速度快。但是IGCT也有一个问题就是电流的器件，这也是阻碍IGCT在国内大规模应用的限制。

 

　　关于IGCT的常用拓扑主要有这四种。第一种是供应缓冲电杆还有公用缓冲电路，但是这种拓扑换流路径非常复杂，需要设置相间的错插，这个是最早ABB使用的方案，但是基本上ABB放弃这个方案。第二个是方案是供应缓冲电杆，这种方案比第一种方案高一些，现在ABB大量使用的是第二个方案，代表性产品是PSC和ACS电流线，也是在大规模风电上应用的拓扑；第三个是拓扑是以西门子为代表的，西门子有这个代表产品ML2和MS10，这个方案的可靠性是最高的；第四个方案是以前ABB的专利，是前位二级管并联前位的IGCT，进一步提升单机的容量，提升IGCT的利用率。

 

　　IGCT是供压变流器的核心器件，约占总成本的50%，怎么提高IGCT的利用率是降低成本的有效措施。提升IGCT利用率方面，可以在ICGT旁边并联RCD吸收电路，这样我们可以大幅度降低IGCT的关断损耗，但是开通损耗略有提升。这种方案可以使IGCT的利用率提升27%，但是变流器的整体效率略有下降。下面是我们的一个仿真计算的结果，就是在开关的过程中大家可以看到IGCT的开通损耗略有上升，但是在关断损耗会大幅度下降，这样整体的IGCT的损耗会大幅度下降，我们可以把IGCT变流器单机容量做很大的提升。

 

　　现在常用的IGCT第一个拓扑是传统的三电平拓扑，传动到10MVA，风电可以到5MW和7MW。第二个我们研究的方案是NPC+RCD拓扑，在风电领域可以达到单机8-10MW，传动可以到14MVA；第三个是ANPC的拓扑，它会把T1和TC管的开关损耗转移到T2管上，同时把T2管上的导通损耗转移到T5和T6管上，这样容量可以大幅度提升，传动可以到14MVA，风电可以达到8-10MW。同时采用高强度的铝框架结构可以把模块里面的整体重量下降，国外的模块单模块重量在350公斤，现在我们做的这个模块的重量达到200公斤，而且体积非常小，相比国外的维护也非常简单，基本上可以实现20分钟的维护。

 

　　这样单机的5、6、7、8、10MW可以统一结构设计，选用不同的器件可以功率放维，轻松安放在5800内径的塔筒里面。现在我们这种单机10兆瓦的大功率的海上风电的方案基本上可以低压在系统方案上，系统成本上做到持平，基本上8MW和10MW的大批量应用的条件，但是8MW和10MW的性能会获得大幅度的提升，比如可靠性非常高，成本会非常低。可靠性非常高是性能更优。

 

　　下一个方案是1140V的方案。大家知道传统的690变流器放在塔筒上面，基本上它的容量达到7MW，已经达到极限了，再往上基本上解决不了扭缆的问题。1140的方案基本上可以实现大功率海上风电8-12MW变流器安装在塔筒上面，可以解决扭缆的问题。第二个使用传统的低压IGBT器件，构建IGBT的三电平模块，再用三电平模块构建IGBT的三电平振极。这个方案的优点是解决扭缆多的问题，同时这个器件承受度非常高，成本和低压的IGBT基本上差不多，略有提升，同时业主和集成商接受度是非常高的。使用这个方案就可以把我们的电机还有我们的齿轮箱放在塔筒上面，用1800V的电缆放在塔筒下面，再送到电网。

 

　　关注1140V的变流器，行业有一个顾虑，1140到底是不是中压系统？我查过IEC和国标的标准，IEC的61800和60646和国标的516，基本上定义的这个就是UN大于1000V是属于中压系统，但是UN大于1000V是这样的，UN的定义是这样的，低于TN系统的话，UN是相变压，就是1140V它的相变压是650V，就是没有达到中压系统的，但是1140V用在用在IT系统下的1140V应该是属于中压系统的。目前国内使用1140V的系统基本上属于TN系统，所以是可以划到低压系统中的。

 

　　对于传统的690V的变流器，如果用在超大功率海上风电的话器件数量会不会大幅度提升？怎么提升系统的可靠性呢？使用无扰切换技术在单机故障时，另外一台机器正常运行，可以大幅度降低变流器运行的故障率，提升可靠性，同时假如采用这种无扰切换的技术可以提升变流器运行的效率。在并流方面要求非常良好的通讯功能，保证通讯的及时性和可靠性，我们可以做到1+1等于2。

 

　　这是并联的无扰切换技术。风电变流器最高效率点一般在50-70%的负载之间，假如我们在小功率的时候停掉一部分的变流器，只要小部分的变流器运行50-70%负载的时候，那我们就可以提升整体的变流器的运行效率。右侧的柱状图可以看到蓝色是常规的变流器的效率，它在10%特别是小功率的时候，效率是比较低的；但是如果使用无扰切换把多流的变流器切除掉，保证系统运行在最高效率点，红色是无扰切换效率图，可以看到低功率段的效率获得大幅度的提升。下面是无扰切换的一个线性图，蓝色部分是两种方案对比的效率提升。

 

　　海上风电和陆上风电的最大区别是它的高湿、高盐。假如我们没有使用高湿高盐雾的处理，结构性的器件基本上有一些盐雾的腐蚀，达到不能使用的地步。

 

　　针对海上的高湿高盐雾我们认为要做到下面几点：首先制定严格的开发标准，盐雾试验方面高于行业要求的试验，做到多循环的试验；经验积累也是非常重要的，针对海上风电要求有非常有经验的加热除湿的方案，保证内部的变流器的温度持续高过外部的温度，才能抵抗外部的盐雾侵蚀；在防护等级方面海上风电都要做到IP54的发电；喷涂材料通过C4、C5等各种喷涂；材料方面根据不同的部位选择304、316喷附铝锌板；包装塑封抽真空包装，减少运输和储存环境的影响。

 

　　大家知道变流器的寿命，我们研究这种载波移相的技术和不同的发波方式对母线纹波的影响，我们发现不同的载波移相和不同的发波方式会对母线纹波的有比较大的影响，我们选择比较好的移相方式和发波方式降低母线纹波的电流，提升母线电流的使用寿命。

 

　　海上风电的运维受到多重的挑战，比如气候影响、距离影响、交通工具的影响、故障定位和施工难度、备品备件。海上风电的运维首先必须对海上风电的运行状况进行实时的监控，运用信号故障运行对风机进行监控；同时对这样易损部件定期进行故障检测和更换，假如发生故障以后要快速定位故障的原因，故障的部件快速维护、恢复运行。

 

　　变流器的大数据是非常好用的，变流器的大数据是包含电器齿轮箱、电网、变压器的所有数据，而且数据的实时性非常高，种类非常丰富，分辨率也非常高。变流器的数据分辨率可以达到4K赫兹，使用变流器的大数据，同时结合软硬件的组网，结合变流器厂家的专业技能可以做到远程智能运维。

 

　　所谓远程智能运维我们觉得应该做到下面几点：运行数据的实时监控、智能故障诊断、远程运维协同，所谓远程运维协同就是现场的人员和专家进行协同工作，第四个是生产管理功能，通过这样的软件智能运维系统可以实现风场的实时监控、快速的定位故障、预知提前检修、缩短维修周期、降低人工成本，我们认为基于变流器大数据的远程智能运维系统是未来海上风电运维的重要帮手。产品体系软件系统包括单机的Hopeinsight、hopeview等整体的系统工具。

 

　　使用这种智能运维系统，我们可以看到全国所有风场的运行概况，每一个风场可以看到每一台风机的运行概况，也可以看到所有的风机的风场运行的电网电压所有的系统概况。进入每一台风机可以看到这一台风机的所有运行情况，而在单机的里面，我们可以看到这是一个故障录播的功能，就是把故障前一段时间和故障后的一段时间的所有数据记录下来，针对故障分析、故障诊断有非常大的帮助，这个数据的分辨率可以达到4k赫兹，这是远高于之前的Scada数据的分辨率。同时手机端也有一个终端，在手机端进行监控故障诊断并且维护。

 

　　我们现在海上风电基本上是高压交流出电，假如我们使用220千伏一千平的海缆的话，输送距离在100千米的时候输送，80%的是输送有功的，到120千米的时候输送有功和输送无功的能力基本上相当，大于120千米以后，它输送有功的能力快速衰减，基本上上面全是无功了。也就是海缆的强容性对无功补偿提出更高的要求，但是未来提出高压直流，会解决无功补偿的问题。

 

　　针对海上风电的无功补偿有两种方案：第一种是SVC，是静态无功补偿装置，由电容和和电抗器组成，成本低，无功补偿容量大，但是不能响应新能源的无功条件高动态的响应；但是SVG可以满足这个需求，SVG就是静态无功发生器，由电抗器、滤波器、三相半导体桥和直流电组成，优点就是响应速度快等等。

 

　　SVG采用这种集联的拓扑方案，把很多的功率模块集联进来，集联模块根据连接电网的方式和电网的电压可以分为10千伏直挂式的SVG，350KV的直挂式SVG，和35千伏降压式SVG。这是SVG的单相等效电路，当电网电压低于额定电压的时候，SVG向电网发出无性无功支撑电网电压，当电网电压低于额定电压的话发出感性无功降低电网电压，通过SVG支撑电网的电压，它一般是使用载波移相的控制方式，假设有N个模块集联的话我们就有N个载波，N个载波的载波移相就是N分之180度，这样的话输出的变频数量就是2N+1，输出的谐波电压和谐波电流非常小，这样就可以实现我们对高送谐波的补偿。

 

　　传统意义的SVG是用来补充电网的无功，用来降低罚款的，但是风电的SVG功能和传统的SVG的功能有很大的差别。风电的SVG是提供电网的无功支撑稳定电网的运行，所以我们现在要求风电使用的SVG要有高电压穿越、低电压穿越、谐波动态补偿等功能，就是电网电压高于额定电压时发出感性无功把电网电压降低，当电网电压低于额定电压的时候进行低穿把电网电压提升上来，同时当电网电压产生比较多的谐波的时候通过谐坡技术把电网的谐波补偿回来。还有发生单向短路和两向短路的时候进行校正把电网拉到平衡的电压。

 

　　这是两个SVG的典型应用，一个是内蒙古的通辽市高力风电场，第二个是青岛光伏电站的解决方案，这是一个超高原的应用，解决电网的功率波动、高次谐波和功率波动的问题。

 

　　感谢各位专家的聆听。

 

　　（内容来自现场速记，未经本人审核）