海上风电机组变流器关键技术研究 陈立权/产品经理

　　

　　首先是海上风电概况，我国有18000公里海岸线，300多万平方公里可利用海域，分布于经济发达、距负荷近的东部沿海，无电网消纳问题。从2015年，我国海洋风电机组从16MW一直到360MW。我国海上风电起步较晚，海上风电的单个风场容量大，海上风电以3MW以上机组为主，潮间带和近海装机。

　　

　　近几十年来，风电机组发展的一个规律基本上就是在增加加长的趋势，按照企业的类型可以分为全功率的风力单向机组和分功率的风力单向机组，可以看出双功率发电机组在重力和成本上都占有优势，但是比全功率机组还是比较差一点，所以目前全功率机组占比较多的数量，因此我介绍一下全功率的海上风电机组变流器。

　　

　　介绍一下变流器的技术路线。现在有两种类型，一种是中压，一种是低压，低压变流器就是技术程度比较高，中压就是线缆、偏航、冷却、效率等都占有优势，左边可以看同样是5MW机组，中压比低压节约3/4的电缆。

　　

　　中压现在国内厂家都采用的是二极管前列的技术路线，可以分为IGBT、IGCT和IEGT三种类型，IGBT从功率密度比其他两个高一点，在失效模式来说，IGBT是开路，其他两个是短路。可维护性IGBT高，IGCT和IEGT比较低。在开通损耗方面，以IGBT作为基准，IGCT大概是IGBT的16%，IEGT是IGBT的两倍。驱动损耗方面，由于IGCT和IEGT都是电压损耗，所以它的损耗比较小，驱动损耗是IGBT的50倍左右。在过流能力方面，IGCT可以承受IGBT的两倍的电流。驱动电路方面，IGBT比较简单，IGCT比较复杂，IEGT比较简单。辅助电路IGBT和IEGT都不能用，而IGCT可以进行辅助电路。

　　

　　下面对比一下IGBT和IGCT的可靠性，首先我们以上海东海大桥海上风电场数据，装机机型国内某厂家5MW全功率机组，叶片长度121米，中压三电平变流器采用IGBT和IGCT方案可靠性分析，采用IGCT即单体功率柜，容量5MW，采用IGBT需要进行功率柜并联，单体容量2.5MW。IGBT由于失效开路以及并联运行，因此单套失效之后，另外一套仍可以运行。右边这个图是根据IGBT统计它的失效率，可以看到由于近年来的技术进步，IGBT的失效率在逐年降低，目前应该是在10%左右，但是我们经过查IGBT的手册，IGBT的失效率是在5%左右，但是这两个是在不同厂家的，所以我们都把这两个都鉴定在50，这种情况假设IGBT的数量为T，由于IGCT是它的两倍，就是2T。

　　

　　可以看出右边两个图，将这些数据平均进行累加，在单位时间内IGCT单位时间T内，损失的单量大概是在2000千万×T，而IGBT大概是在1250千瓦×T，所以看到IGBT的可靠性还是稍微占有优势。基于以上方案我们选择是IGBT是作为中压工艺。

　　

　　下面介绍中压IGBT的变流器特点。首先参数是5MW中压变流器长5.3米、高2.38，第二个是变流器的容量是6000kVA，电压是3300V，额定电流是1064A，直流母线电压5050V，IGBT电压等级4500V，防腐等级是C4，工作温度是-30度到50度。

　　

　　中压三电平变流器由于其开关频率低，因此在电流谐波抑制以及写真抑制上需要进行特殊处理，针对于此处理方法是采用二阶高通滤波器。针对于写真的问题我们采取谐振技术来解决这个问题。

　　

　　由于对于技术的可靠性，以及载荷功率比较高，因此中压变流器也是可以做一些工作的，我们由于中压发动器电流脉动比较多，所以我们是减小波动，提高寿命，这两个图可以看到电流明显减小。变流器可以采取故障风险评级，对于一些非关键故障进行了一个用协和电机的方案，这种情况下经过测试和仿真，可以降低机组50%的载荷。

　　

　　由于海上风电场的环境比较恶劣，对此我们做了一个智能监控系统，首先可以实现远程多用户访问，二是主要期间寿命预测维护提醒，三是远程升级程序、参数，四是16路柜内温度监控、温度异常预警，五是案例库集成月度健康报告。

　　

　　变流器的安全可靠性我们是这样做的，首先采取模块化控制器，将变流器的光纤进行划分，采取特殊的通讯策略，将其封装在一个盒子中，这样情况下一个是以它的可靠性以及防控等级得到提升，第二是如果出问题它的更换会非常快，非常方便。我们采取了光纤隔离的错误，提高了人身操作的安全性。

　　

　　变流器采用的是C4喷涂，对于这种一体机的方式我们进行了优化，通过控制阀门的方式来实现功率模块的恒温度控制，可以降低器件失效率，对于不同的温度冲击，看到温度冲击越大，机器工作时间越短。

　　

　　针对于变流器模块化设计，我们采用的是变流器内部采用模块化设计，功率模块重量小于60kg，拆卸比较方便。下面就是我们的模块以及整机的一个形式。

　　

　　最后介绍一下我们科诺伟业设备有限公司，我们可以提供产品有变流器、变桨，变流器从1.5-5MW双馈/全功率，变桨系统有850-5MW的产品。除了产品我们还提供一个机组服务，提供技术改造，目前可以从事单体的主控、变桨系统，变流器的改造，目前我们的改造系统在现场已经运营超过有1000台，取得了良好的业主评价。上面就是我的报告内容，谢谢大家！（根据速记整理）