海上風電機組變流器關鍵技術研究 陳立權/產品經理

　　

　　首先是海上風電概況，我國有18000公里海岸線，300多萬平方公里可利用海域，分布于經濟發達、距負荷近的東部沿海，無電網消納問題。從2015年，我國海洋風電機組從16MW一直到360MW。我國海上風電起步較晚，海上風電的單個風場容量大，海上風電以3MW以上機組為主，潮間帶和近海裝機。

　　

　　近幾十年來，風電機組發展的一個規律基本上就是在增加加長的趨勢，按照企業的類型可以分為全功率的風力單向機組和分功率的風力單向機組，可以看出雙功率發電機組在重力和成本上都占有優勢，但是比全功率機組還是比較差一點，所以目前全功率機組占比較多的數量，因此我介紹一下全功率的海上風電機組變流器。

　　

　　介紹一下變流器的技術路線。現在有兩種類型，一種是中壓，一種是低壓，低壓變流器就是技術程度比較高，中壓就是線纜、偏航、冷卻、效率等都占有優勢，左邊可以看同樣是5MW機組，中壓比低壓節約3/4的電纜。

　　

　　中壓現在國內廠家都采用的是二極管前列的技術路線，可以分為IGBT、IGCT和IEGT三種類型，IGBT從功率密度比其他兩個高一點，在失效模式來說，IGBT是開路，其他兩個是短路。可維護性IGBT高，IGCT和IEGT比較低。在開通損耗方面，以IGBT作為基準，IGCT大概是IGBT的16%，IEGT是IGBT的兩倍。驅動損耗方面，由于IGCT和IEGT都是電壓損耗，所以它的損耗比較小，驅動損耗是IGBT的50倍左右。在過流能力方面，IGCT可以承受IGBT的兩倍的電流。驅動電路方面，IGBT比較簡單，IGCT比較復雜，IEGT比較簡單。輔助電路IGBT和IEGT都不能用，而IGCT可以進行輔助電路。

　　

　　下面對比一下IGBT和IGCT的可靠性，首先我們以上海東海大橋海上風電場數據，裝機機型國內某廠家5MW全功率機組，葉片長度121米，中壓三電平變流器采用IGBT和IGCT方案可靠性分析，采用IGCT即單體功率柜，容量5MW，采用IGBT需要進行功率柜并聯，單體容量2.5MW。IGBT由于失效開路以及并聯運行，因此單套失效之后，另外一套仍可以運行。右邊這個圖是根據IGBT統計它的失效率，可以看到由于近年來的技術進步，IGBT的失效率在逐年降低，目前應該是在10%左右，但是我們經過查IGBT的手冊，IGBT的失效率是在5%左右，但是這兩個是在不同廠家的，所以我們都把這兩個都鑒定在50，這種情況假設IGBT的數量為T，由于IGCT是它的兩倍，就是2T。

　　

　　可以看出右邊兩個圖，將這些數據平均進行累加，在單位時間內IGCT單位時間T內，損失的單量大概是在2000千萬×T，而IGBT大概是在1250千瓦×T，所以看到IGBT的可靠性還是稍微占有優勢。基于以上方案我們選擇是IGBT是作為中壓工藝。

　　

　　下面介紹中壓IGBT的變流器特點。首先參數是5MW中壓變流器長5.3米、高2.38，第二個是變流器的容量是6000kVA，電壓是3300V，額定電流是1064A，直流母線電壓5050V，IGBT電壓等級4500V，防腐等級是C4，工作溫度是-30度到50度。

　　

　　中壓三電平變流器由于其開關頻率低，因此在電流諧波抑制以及寫真抑制上需要進行特殊處理，針對于此處理方法是采用二階高通濾波器。針對于寫真的問題我們采取諧振技術來解決這個問題。

　　

　　由于對于技術的可靠性，以及載荷功率比較高，因此中壓變流器也是可以做一些工作的，我們由于中壓發動器電流脈動比較多，所以我們是減小波動，提高壽命，這兩個圖可以看到電流明顯減小。變流器可以采取故障風險評級，對于一些非關鍵故障進行了一個用協和電機的方案，這種情況下經過測試和仿真，可以降低機組50%的載荷。

　　

　　由于海上風電場的環境比較惡劣，對此我們做了一個智能監控系統，首先可以實現遠程多用戶訪問，二是主要期間壽命預測維護提醒，三是遠程升級程序、參數，四是16路柜內溫度監控、溫度異常預警，五是案例庫集成月度健康報告。

　　

　　變流器的安全可靠性我們是這樣做的，首先采取模塊化控制器，將變流器的光纖進行劃分，采取特殊的通訊策略，將其封裝在一個盒子中，這樣情況下一個是以它的可靠性以及防控等級得到提升，第二是如果出問題它的更換會非常快，非常方便。我們采取了光纖隔離的錯誤，提高了人身操作的安全性。

　　

　　變流器采用的是C4噴涂，對于這種一體機的方式我們進行了優化，通過控制閥門的方式來實現功率模塊的恒溫度控制，可以降低器件失效率，對于不同的溫度沖擊，看到溫度沖擊越大，機器工作時間越短。

　　

　　針對于變流器模塊化設計，我們采用的是變流器內部采用模塊化設計，功率模塊重量小于60kg，拆卸比較方便。下面就是我們的模塊以及整機的一個形式。

　　

　　最后介紹一下我們科諾偉業設備有限公司，我們可以提供產品有變流器、變槳，變流器從1.5-5MW雙饋/全功率，變槳系統有850-5MW的產品。除了產品我們還提供一個機組服務，提供技術改造，目前可以從事單體的主控、變槳系統，變流器的改造，目前我們的改造系統在現場已經運營超過有1000臺，取得了良好的業主評價。上面就是我的報告內容，謝謝大家！（根據速記整理）