2016年11月3日，在“2016中國風電電氣裝備技術高峰論壇”的主題演講環節， 深圳市禾望電氣股份有限公司鄭大鵬 研發總監作了幾種海上風電變流器的對比分析的相關報告。

　　以下是大會演講內容（現場筆錄）：

　　大家下午好，我的報告是海上風電中的變流器，主要分析一下從低壓到中壓以及各種不同的技術之間的它的性能和可靠性的對比分析。一是海上風電發電系統，二是海上風電變流器全功率類型與對比分析；三是禾望低壓和中壓海上風電變流器的解決方案。

　　我們大家都知道當前陸上風電的功率等級一般來說現在主要集中在2MW,功率范圍是1.5-3WM，海上風電基本上是從3.6起，一直到現在商業化的7MW、，，可能很快有8MW，也有10MW的樣機，15MW具說也有很多人開始做了概念的設計，但是在陸上2MW——3MW一直是我們業內的主流機型。像西門子154的機型，一個葉片剛好就是A380的一展。

　　海上風電大家在國內現在常見的還都是單樁或者是重力，也有多樁，像這種浮臺式的還是在研究階段，因為基礎在我們整個海上風電系統里會占到30%以上，所以說我們到海上風電5MW以上才開始有成本優勢。

　　海上風電其實它的電力系統跟我們陸上風電技術上是類似的，從學術界很多年以來大家就在探討是不是走柔值來進行海上的輸電，但是從這些年的研究看起來，因為中國的網上風電還在剛剛起動，適合建海上風電的位置還是非常多，所以從這個研究上看起來，如果距離在80公里以內，單個風場傳輸的功率在300-400M，這樣容量的范圍內，還是最常見的高溫交流。最有經濟性的一種方案。當然將來如果說海上風電走到百公里，單個風場容量達到接近GW的容量的時候，應該是進入了直流輸電的范疇了。從海上風電的收集來看有很多種連接方式，最簡單的就是單支路的新型的，為了提高可靠性，我們看到有雙支路、環形的、雙邊環形的等等，來提供風電系統的可靠性。

　　從風機的脫口看起來，經過這十幾年的發展，有變速的有恒速的，跟他們配合這個變流器也就有全功率的時候，還有部分歸路的變流器，也就是我們說的目前。從當前來看華銳造的是相當早的，6MW的，但是雙饋技術，把陸上的直接移植到海上風電，但是目前從全世界來看這種方式好像差不多，西門子用異步發電機，它的好處是免維護，但是它電機的結構式非常簡單，但是這個平臺帶來的一個問題就是功率越向大發展，越困難，因為這個異步電機是通過轉子、定子、耦合過去的，所這個電機越小越好，電機大到一定程度上很難加工了，所以現在看起來這個平臺也是到了4MW，包括西門子到5M、6M、7M、8M改了技術方案，改為直驅方案，所以第三個方案就是西門子的直驅方案，現在國內的湘電5MW也是采用DD115的這種直驅方案。

　　半直驅方案就是相當普遍，因為大家考慮到一個是成本，一個是性能的兼容，所以現在像海裝、太重、東汽、北車、華創等等，都在考慮走半直驅的路線，他就是有一個一級的沉箱，現在看來主流的技術方案就是這三種。

　　下面簡單介紹一下這幾種方案的變流器的對比，從現在看起來變流器現在是各種方案也都有，一種是我們在陸上風電用的兩變頻的690V的低壓全功率變流器，也有用中壓的級聯型的，第三種就是IGBT全功率變流器中壓3000伏的，第四種是禾望做的IGCT全功率變流器，現在來看從全球大的變頻器的主流方向從過去的20年不管是ABB，還是西門子，還有三菱大功率的變頻器，還有GE的開發的變頻器只要是4WM、5WM以上幾乎都是IGCT的方案，這是主流變頻器。但是我們在國內以前有過失敗的教訓，所以大家比較害怕IGCT這個東西，所以在90年代2000年左右大家都把這些東西放棄掉了。低壓IGBT就很簡單，就用兩臺或者多臺低壓的機型把它直接并聯起來，因為我們我們的IGBT的機型很難做到3兆瓦以上。但是是直接并聯，還有變壓器拆雙繞阻來并聯。

　　第二種就是走級聯，級聯的好處大家都很熟悉，就是du-dt小，最重要的就是成本優勢，這個時候它這個直線無限的容量10個字的時候就要再大5倍！這個從技術上是可行，從產品上是不可行的。所以現在拓撲只看到有人做了樣機，還沒有真正做應用。

　　第三種就是SM150還是Abb的SS6000等等的這些主流的機型我們看到的都是這些拓撲，單管最大可以做到12兆瓦，但是在風電是不能做到最好的，所以同樣的傳動里面10兆瓦的變頻器，在我們那里只能當做7兆瓦來使用。它的好處就是不串不并，拓撲非常簡單，就是背靠背的拓撲24支硅片，每一個就是一個獨立的硅片，器件數量非常少。

　　這是四種方案的一個簡單對比，這個是用它來進行功率密度、器件數量還有損耗，所以做6MW的變流器的話，意味著內部的IGBT可能加起來是在1500V，器件值最少的就是IGCT，一共72器件可以構成一個在我們風電領域用7MW的背靠背的變頻器。

　　從成本上來對比，四種方案成本相差不大，對比的是電氣系統，包括箱變、電機、電纜和變流器，大概上下只差100萬左右，但是從體積，因為IGCT做得體積非常小，從體積、效率、可維護性，各方面可靠性，這是我們在海上風電里特別關注的四點，從這幾個方面綜合來考慮，我們得出的結論跟金風得出的結論有點偏差，我們IGCT認為這個才是主流的。

　　下邊簡單介紹一下禾望低壓和中壓海上各種變流器的解決方案。第一種就是我們直接拿690低壓并聯，并聯成為4MW或者5MW、6MW這樣的機型，第二個就是單機型的，為了適應海上風電的高功率密度的要求，禾望現在也有一種4MW的不需要并聯的單機密度的機型，然后還有3000V的中壓，就是5MW、6MW、7MW，現在正在開發8MW的機型。

　　這個就是上面說的簡單并聯。它的好處就是產品非常成熟，因為這種變流器禾望在現場應用都是以數千臺來計，所以從可靠性，從技術的成熟度來說都是非常好的，而且兩臺可以獨立的運行，也就是說有一臺壞了，還有一臺還可以發一半的電，但是從另外一個角度來說，這樣的產品它的器件數量太多了，它出現故障的可能性也會高非常多。從布局來看，布局也非常靈活，可以分層放也可以單層放，結構也比較緊湊，還可以跟水冷機配成一起。這是4MW的一個單機的機型，這個可能是我見到的功率密度最高的一種4MW機型，就這樣一個單機可以到背靠背4MW，寬度是2.7米，深度是1.3米。

　　這個是中壓的機型，寬度是3.3米，這是一個外形圖，這個產品的特點就是中壓的5、6、7三個現在是商用機型，正在開發的是8MW，標準機型是IP54防護等級，設計壽命25年，基本的機型C4防鹽霧等級，它的一個重要的特點就是它的功率密度高，剛才看到這個機型只有3.3米的寬度就可以做到8MW。

　　這是內部的一個布局圖，就是我們說的背靠背，從功率上來是完全一模一樣的，中間是斬波器，右側是一個布局的示意圖，在5.8米塔筒內部的布局。從電機拓撲來說是非常簡潔的，內部采用了大量冗余設計，因為我們海上風電里面最關心的就是可靠，可靠一個是從設計上來保證，用更少的器件，更簡單的拓撲，還有萬一壞了要有冗余設計，所以在所有輔助電源，控制電源部分都是具有冗余的，任何控制電源的損壞都不會導致整機的停機。水冷系統也是雙泵冗余，可選控制系統，也就是這個大腦，經常有人問大腦壞了怎么辦？這個控制器冗余也是可選的，可在線切換。還有人質疑去離子水循環是不是比較復雜，其實并不復雜，就是做一個去離子罐就可以了，比一個氫氣瓶還要小的罐子，更換起來也不復雜。這是水冷的最右側的小的立柱就是去離子罐。

　　這是在湘潭牽引電機設備研究所做的型式實驗研究的時候做的照片，這個在也通過了湘潭的型式實驗，這個機型有幾個關鍵性的特點，一個是并網質量，發電質量非常好，并網的電流諧波在滿載的時候只有百分之一點幾，在20%負載的時候也就只有百分之二點幾，通過特殊的諧波控制算法，能夠保證并網電流質量是非常完美。

　　這個特點就是它的效率問題，因為在海上風電，每度電都是8毛錢，它的加權效率會接近98%，可能97.5%以上，它在小功率的時候就具有很高的效率，所以從整機效率上來說，比低壓的方案可能會高出百分之三點幾，這樣發電效率的提升在風電里面是非常非常可觀的，這百分之三點幾是怎么高出來的？一個是變流器自身的效率，變流器自身一般低壓我們說最大效率是97%，實際上加權效率可能接近96%，所以中壓變流器和低壓變流器如果按照發電量來算就要算加權效率，電纜上還有大約零點八個點提升，再加上電機，因為中壓電機效率非常高，所以這樣中壓電機會比低壓電機會高一點，這樣加起來就三點幾個點，如果折合到6MW的海上風電的發電機組來看的話，每年可以多發電72萬度，8毛錢1度電就是60萬人民幣每年的發電收益，所以我們認為中壓的IGCT應該是海上風電最好的選擇。

　　再說過載的能力，從整機上來看可以做到150%的過載，這樣對電網的瞬態過程提供良好的穿越能力。IGCT可提供20倍/10ms以上的短時過載能力，所以IGCT是一種非常可靠的器件，耐非常大的電流沖擊短路。這是內部的一個設計，這個是IGCT的一個模塊，這是一個單向的NPC。這個也是用戶經常問的一個問題，就是這么大的模塊在現場怎么拆裝？我們提供每臺機器會配一個工裝，可以保證在現場兩個人可以很方便的拆裝這個模塊，當然也可以直接換硅片，因為IGCT的硅片也是非常容易更換的。

　　另外就是一些風電必備的標準功能，比如說高穿、低穿、零穿，耐受電網等等，并且可以適配各種各樣的電機，無論是感應電機，還是電力磁的，在調試的時候可以做4V運行來定位，而且轉矩也非常小，大概在5-10ms范圍，所以滿足我們對系統機械振蕩的這些抑制需求。另外還提供一個非常強大的監控軟件，這個是在海上風電也是必需的功能。我的匯報就到這兒，謝謝大家！