CWPE2018：清華四川能源互聯網研究院先進直流技術研究中心執行主任楊超——《基于先進電力電子技術的大容量海上風電并網與輸送》

 

　　清華四川能源互聯網研究院先進直流技術研究中心執行主任楊超在嘉賓演講環節發表了題為《基于先進電力電子技術的大容量海上風電并網與輸送》的演講：

 

　　今天我給各位分享的主題主要分為五個內容：

 

　　一、海上風電發展概況；

 

　　相信這兩天各位專家可能都做了不同類型的非常詳細的介紹，在我這兒就大概的給大家快速的過一下一些基本要點。根據清華大學前期的一些調研以及現在的一些學術資料來看，我國在5-25米水深以內的近海區域，海平面以上50米高度的風電可裝機容量大概2億千瓦這樣一個量級。有些特點包括東部海岸線長，風能資源好，風能質量好，具備大規模發展海上點的資源條件。另外東部區域電力需求巨大，海上風電可以就近消納，在這一區域發展海上風電具有非常廣闊的前景。

 

　　根據前期的一些統計可以看到這是2017年中國海上風電新增容量達到1.164兆瓦，比前一年增長了71.5%，這是非常巨大的一個數字。截止2017年底，中國已建成的海上風電項目裝機容量共計2788兆瓦。在2016年已經躍升到全球第三位。根據“十三五”規劃，預計到2020年我國海上風電裝機容量能達到5GW這樣一個量級。

 

　　再看一下海上風電發展的趨勢，首先看到風機容量不斷地在提高，歐洲海上風電歷年的一些裝機容量，是逐年在提高的。目前來說聰穎過、德國、丹麥一些西歐國家，100兆瓦以上的大型海上風電場已經具備，大部分采用6兆瓦機組。2016年歐洲海上風電平均單機容量4.8兆瓦，到2016年底8兆瓦的一些機組也完成了吊裝和并網發電。這里面我們看到是中國海上風機不同功率機組累計的安裝容量，主要是以3-4兆瓦的風機為主，6兆瓦的機組也已經有了一些實際的應用，我們相信到2020年我們具備8兆瓦及以上的大型海上風機制造的能力。

 

　　歐洲海上風機組歷年的離岸距離，2015年歐洲新建的項目平均離岸距離是38.4公里，同比增長了28%，2016年到了43.5公里。目前來說德國Global Tech1期風電場離岸距離達到115公里。相信隨著海上風電技術的進步，這種趨勢一定會在中國復制，也會有同樣的離岸距離越來越遠的情況。

 

 

　　目前來說風機絕大多數都是變速風機，主要的兩個主流技術分別就是雙饋風機組和直驅風機組，比較而言就是在雙饋這一塊，主要是換流器連接在轉子和定子之間，換流器容量相對來說要比風機小一些，大概是30%左右。有什么樣的問題？主要是維護成本比較高，齒輪箱需要定期維護，通常來說換流器通過滑環與電刷還有轉子連接，平均的壽命大概6-19個月。另外一個應用比較廣泛的就是直驅的風機組，通過換流器背靠背連接在定子與電網之間實現并網，通常采用的是全功率背靠背的換流器。大家比較熟悉的ABB的PSS6000。好處是維護成本比較低，通過采用高極對數的發電機，甚至可以不用齒輪箱，采用永磁的還能進一步取消滑環與電刷。

 

　　做一個比較，接下來會看到風機的換流器的電壓等級逐步升高，目前來說主要典型的電壓是在690V，我們通過一些大量的仿真比較，實際的現場實驗，我們認為三到四千伏以上的風機，三電平是最好的。典型功率我們在目前來說690V主要集中在0.75-6兆瓦的容量，大于3兆瓦我們認為采用三千伏和更高的容量是最合適的。目前狀態也是比較成熟的，市場應用相對來說還是比較少。

 

　　另外大概看一下大容量風機組的技術趨勢，目前最大容量是8兆瓦，很多國內外的企業也在做10-15兆瓦的開發計劃。預計到2020年可能會有15兆瓦以上的風機。10兆瓦級以上的風電換流器的研究發展方向就提出了很多新的挑戰，在器件層面需要更高的電壓，更大的容量，更低的損耗器去應用。在換流器拓撲不再單單限于二極管，可能還有新的3電平、4電平，5電平的方式，甚至緊湊化的MMC方案。還有如何將風機換流器與直流變流的功能與直流輸送的功能相結合。

 

 

　　我們都知道現在目前來說海上風電并網有交直流兩種方式，傳輸距離超過一定距離之后就會有兩個不同的問題，一是產生交流的時候電纜電容充電對輸電容量的影響，交流輸電海底電纜距離逐步增大輸電在下降。二造價與輸電距離的關系，當傳輸距離通常我們認為在海上超過50公里交流就比直流的經濟性要更差了。所以隨著風場距離的增加，我們認為輸送容量也進一步增大，直流輸送方式一定會成為一個必然的選擇。

 

　　目前我們大致對現有的比較前沿的以及未來可能會出現的做了一個總結，最常見的就是交流匯集集中換流的一種方式，第二種就是交流匯集和二極管整流的方式，好處就是我們的二極管的換流站可以做得非常小，也是西門子現在在提的一個新的技術解決方案。第三種就是串聯直流輸電，我們采用了直流的換流器采用串聯升壓的方式，這樣的一個好處可以是避免使用海上的大型換流站平臺的方式。第四種也是通過直流匯集，采用直流輸電的方式。

 

　　做一個比較，方式一：現在比較常見，目前來說大部分都是采用這樣一種非常成熟。方式二：目前來說是一些企業在主流去推的，可以說相對來說它的海上平臺可以做得比較分散，可以做得更小，對海工技術要求更低一些，風機控制要做一些改變，建設難度可以說比現有的方式要減小了，成本也可以進一步降低，關鍵技術我們認為近期是可具備的。方式三：串聯直流這樣一種方式，這也是我們目前認為將來會是比較有前景應用的方式，可以看到它是不需要建立海上平臺的，這也是一直以來困擾海上風電的一個最大的挑戰，在風機換流器上肯定要做一定的調整，我們認為采用更高電壓等級的風機換流器會更有經濟價值。也會要求進一步去做風機控制的調整，建設難度相對來說也比較小，因為我們省去了海上環流平臺的要求。方式四：這應該是我們展望未來的一種更具挑戰性或者具有新的電力電子技術的應用。

 

 

　　因為前面也介紹了隨著風機容量的不斷增大，換流器容量不斷地增大，也要求我們對電力電子器件無論是容量上，電壓電流等級上及可靠性都提出了一些新的要求。目前來說比較成熟的器件主要分為兩類：一類是晶閘管類，二類是晶體管類的。這四款器件可能是目前來說大功率上應用最為廣泛的。

 

　　我們選取最為典型的兩類，一個是IGCT一個是IGBT，它倆的差別一個是門極電流控制器件不同，IGCT導通壓降較低，IGBT導通壓降大。IGCT所能實現的電壓交流等級較高，IGBT比較低一點。

 

　　進一步去看IGCT比較主要結合了IGBT和GOT的優點，可靠性高，成本低、工藝基礎好、壓降低、體積小。綠色這條線是IGCT主要的工作區間，基本上都覆蓋了IGBT。

 

　　再去看一些它的器件的優勢，首先它是一個壓裝封裝型的器件，器件的故障后首先來說不會發生爆炸，失效模式也是短路的失效模式，散熱性能更好。相較于壓接式IGBT我們認為IGCT具有明顯成本優勢，因為前面也介紹了IGCT是基于晶閘管技術的，非常適合在中國的應用或者在器件上的拓展。因為中國國內在生產晶閘管這個技術已經非常成熟了，但在生產IGBT這個工藝上還有很長的路要走。

 

　　考慮到通過使用IGCT或者IGBT來構建模塊化多電平的換流器，根據之前發表一些論文可以看到，基于IGCT的MMC失效率比IGBT要小很多，僅僅為1/4這樣一個數量級，這張圖展示了是20年之后它的可靠度在10年以上，在12年可能都還是非常高。

 

　　單純從器件層面來看IGCT的可靠性是怎么樣，這個也是基于之前大量的數據統計，可以看到IGCT的失效率僅為IGBT的1/3，主要是IGCT的半導體結構決定它的可靠性高于IGBT的芯片，首先采用單片結構，降低了故障的機率，另外是采用積極開路的模式，降低了器件被損害的機率。采用全壓接式設計，無焊線。另外是壓接式的封裝，密封模式下故障情況不會發生爆炸。

 

　　另外我們去看一下IGCT器件跟IGBT對比的一個效率，可以看到這是一個導通壓降，這是IGCT的導通壓降，比IGBT小1.5V，同時可以看到在應用IGCT和IGBT它的整體MMC的效率對比，IGCT是遠遠低于IGBT的。

 

 

　　最后做一個總結，目前來說海上風電在快速發展，我們的裝機容量已經達到第三位，可能會再向上躍升。目前的項目從現在的由小即大，離岸距離由近及遠的趨勢，相信海上風電場通過柔性直流輸電的接入電網的方式具有更好的技術性和經濟性。大容量海上風電的直流輸電面臨新的技術挑戰，減小甚至取消海上集中環流平臺是發展趨勢，未來將向全直流的海上風電接入方式發展。大量IGCT器件具有容量大、成本低、損耗低和可靠性高等優點，在大容量海上風電具有廣泛應用前景。

 

　　（發言整理自現場速記，未經本人審核）