中压三电平全功率风电变流器的实践与思考 张鲁华/博士

　　各位专家下午好，我们公司是从2001年开始做中压三电平全功率风电变流器的，前面做了一套样板机，到中间由于国内市场没有打开，所以说中间停了一下，现在回头去看我们做这个事情的历程，有一点收获和一些想法，在这里和大家分享一下。我说的东西可能不如前面的专家介绍的那么量化和细致，我从一个感性和综合的角度来和大家分享一下，如果有不对的地方请大家批评指正。
 

　　因为上海电气比较大，上海电气风电公司的名气比较小，我们输配电集团，我是来自技术中心，我们输配电集团下面还有电力电子有限公司，我先给大家理清一下这个关系，顺便做个小广告。
 

　　是这样的，我们和风电公司的关系，实际上是我们分属两个不同的集团，我们是输配电集团，他们也是集团级别的，我们总体上来说是他们的一个供应商。我们技术中心主要是做研发工作，研发主要是在新能源变流器，包括风电还有太阳能，生产是在电力电子有限公司。
 

　　就风电变流器来说，我们是从1.25开始做的，然后到2MW，3.6MW。除了风电变流器，我们还有主控和变桨这一部分。我们现在大概变流器有1800多套，1.25的大概是300多套，剩下是2MW的，还有变桨。
 

　　一开始在做项目立项的时候，中央炒的比较火，所以说我们做了一个调研，左边这个图是我们根据市场的反馈总结一下变流器的成本大概占成本的7%，由变流器引发的故障的停机率大概在19%-20%，所以说我们也在想压变流器的成本到底合不合理，还有运行和维护成本，大概在1毛钱左右就有点太高了，所以说就引出下面这个问题，后面的变流器的功率等级还有发电机的形式往哪个方向发展，我们做了一些取舍。在功率等级方面大家肯定都是达成一致了，但是等级越大包括安装、运行维护这个成本都应该比较低。
 

　　另外还有发电机的形式，我们从永磁或者双馈，所以在系统的复杂程度上面，它和电网还是有一定的耦合度，所以说不如永磁来的简单。还有双馈也是这样，从驱动形式上来讲，现在我们拿到的数据，我们最近也是做了一项调研，全功率永磁发电机，它的造价基本上和它的额定转速比是成反比的，所以大功率的传动链如果没有什么问题的话，我们认为半磁区的这个形式还会占据一段时间。全功率的持续的会占比较小的一部分。
 

　　从造价方面来说永磁的肯定比双馈的，比其它形式的要贵，但是这个我们要找到一个突破口，如果说永磁系统这个优点，相对于其它系统的优点在哪里。从控制上来说它的变量比较少，它比其它的要简单，从硬件方向来说为什么要选3000V不选690V，现在做大功率的比较少，690V其中的问题就是用的硬件模块比较多，就有均流的问题，还有系统并联，加一点硬件和软件的控制，这样来说无论从硬件的数量，还是从控制的复杂程度来说，永磁的还是相对来说比较简单，如果单从数学的概率上来算的话，它的估算点还是比较少的，如果能保证永磁全功率的变流器它停机时间比较短，虽然说我初期的成本比其它方式要高，但是如果运行一两年就能把初期投入的成本抓回来，所以说我觉得这一点应该是把中压全功率推向市场的一个突破口。如果要是大规模铺开的话，整个3000V中压部件成本也会降低，这样就会进入一个良性的循环。
 

　　电容前位，我们认为电容是一个不可控量，或者说是一个控制目标，它相当于增加了系统的复杂程度，所以说我们就选了二极管前位。关于系统的拓扑形式我们是选择背靠背全控的形式，对于环流系统并联，我们是两个3MW的系统并联，我这里花了一半。现在的拓扑形式也有一些啊价格比较低廉的一种方案，就是说在不控总流，一部分是谐波的问题，在它的动态响应方面还是比全控的系统要慢，所以我们还是选择了全控的。
 

　　硬件方面我认为有下面几个点需要注意一下，关于直流母排，实际上直流母排影响后面那几个参数的设计，我们也是在做测试的时候发现了一些问题。因为一开始我们是把关于直流母排的东西全部看了一遍。这个换流回路，这个大家都清楚，因为它开关是不平衡的，逆变状态下半个轴波是一直导透的，所以它的热是不均衡的，在设计冷板的时候要考虑这个问题，这个是一个示意图，我们算出来的热容量。
 

　　还有一开始我们做的时候就像做双馈一样，要考虑到吸收电路，我们在做测试的时候发现如果要是做ICD或者ID这种形式都加上去的话，如果配合不好的话可能会更恶化这个现象。然后还有一个就是二极管前位只能前外管不能前内管，我们探索的时候就是加平衡电阻，加平衡电阻我们自己做试验的时候发现的，如果配上平衡电阻不是很好选择，因为有些是不可控的。所以我们平衡电阻也没用。我们加一个吸收电路，不让它谐振是可以做到的，所以考虑到管流的电压应力，如果不用的话是可以接受的。
 

　　然后是软的方面，我认为现在在大的控制策略方面没有什么秘密，大家从文献里面，或者是书上应该都可以找得到。现在中压面临的一个问题就是开关频率比较低，这对于谐波的治理来说是比较困难的，因为低载荷的情况下可能会有载荷谐波，所以我觉得对于谐波的治理是比较重要的。在谐波治理方面我们经过实验检验的几个方法就是说重复控制看看谁比较好一点，还有就是低Q轴同轴旋转，但是那个不能加很多。
 

　　总得来说，我们做2MW双馈的经验来讲，一个可靠的系统，一个比较好的设计，应该是硬件和设计是能占到一个系统的最少60%。但是在软件部分大的控制策略没有什么秘密可言，就是说小的部分我们要精益求精，把它搞明白。从实际运行经验来讲，我们平常看不上眼的那些东西，比如说一个滤波器的设计，实际上这些东西在控制过程中都是起很大的作用的，你有些隐患的话如果这两点处理不好就会引起很大的问题。但是总的来说，硬的设计和软的设计还是要很好的结合起来。
 

　　后面这个问题就是说我们做了一下总结和梳理，但是这四个方面是一环扣一环的，总体上来说都是由于成本的压力产生了这几个问题。标准的问题我们在做的过程中一开始是3000V的系统绝缘配合，因为国内3000V在输电侧这个标准里面应该是处于一个比较尴尬的位置，绝缘配合我们最后还是参照了欧洲的机车标准来做的，就是15024，然后还有一个问题就是说可能有很多专家也都提过这个问题，就是风电变流器不可能长期处在满发的状态下，所以它的电流应力和电压应力也不能一直按照额定工况来考虑，是不是有针对性的对我们这种情况做出相应的标准。然后至于关系到现在因为我们的装机容量应该是世界第一，所以说我们以往的这些数据能不能拿过来比对一下，到底这个变流器一般运行在多大功率范围之内，这样来做一个指导，这样的话对我们器件的选择应该是很有利的，在降成本这一块还是比较有帮助。

还有系统的设计，比方说我们做这一套样机的时候，开关功率的设计，从3000V的角度我们只能设6000V和10千伏的设计，但是它有独立成柜的时候这样就要加大成本。我们在做3.6的双馈定的侧电压也是3000V，但是我们这边并网是用在相变，我们可以通过相变的取得负变的，这边又可以省10万块钱。还有发电机的绕组形式，我们一开始也通过不同的渠道打听过这个事情，一开始说双馈发电机可以完全按照两台独立的发电机来控制，但是实际运营中发现不同绕组之间的互感影响还是比较大的，如果两套绕组机功率比较大的话，转矩脉动还是比较大的。上个月在北京开会的时候，金风的总工也讲他们也遇到这个问题，就是说功率相差很大，磁场可能就不那么圆。
 

　　还有一点就是我们要从系统的角度降成本，就是发电机的历史强度，还有是因为变流器，因为变流器就是那么一个电流等级的，我们在留有安全用量的情况下可能还有一部分电流用量，我们考虑把那一部分电流用量余足，这样可以结合起来，所以说这样是一个比较好的方案。
 

　　还有一个就是冗余和容错控制，现在阳光已经在用了。远程维护这方面主要还是降低停机时间，保证发电量比其它的高。再就是元器件的选择，刚才前面专家讲了就是IGCT和IEGT还是比较好，但是为什么现在看到这个方案在下降，就是IGCT和IEGT有短路的特性，造成会把整个系统拖垮，会把失效展开，这个方面还有比方说压装这些东西，工艺的挑战还是比较大的。硬件设计就是说我们利用以往的大数据把它定在一个合理的点上，并不一定一直要按买方的想法来设计。总体上就是这些，请大家指正。