深圳市禾望電氣股份有限公司研發總監鄭大鵬：海上風電機組中壓變流系統

　　

 

　　鄭大鵬：所有的整機廠在設計海上風電的大容量的變流器的時候都會遇到一個困惑，就是到底是用中壓還是低壓，用中壓好像比較新，但是從今年看起來也不新了，因為湘電在福建的風場都已經投入發電，而且效果都很好。但是還有很多人不敢選中壓，因為沒用過，有人懷疑變流器中壓到底行不行。但是電機其實我們在陸地上使用發電機11千伏，一般來說11千伏是很成熟的，甚至13.8千伏也有。變流器的話其實像三電頻的變流器在大型傳動上，從幾兆到幾十兆瓦甚至百兆的都很成熟，其實在我們風電領域還不多，大部分選低壓的現在都把變流器放到塔底，到現在為止，我們國內還沒有人敢把變流器和變壓器低壓的一起放在機艙上面，擔心維護的問題，所以這樣造成了很多的電纜。電纜大家可以想象一下一個6MW或者7MW，現在我們接手的訂單有8MW，8MW大概8000安培，不僅是電纜的成本問題，還是扭纜設計起來非常困難，所以今天我的PPT主要是講中壓電流。

 

　　海上風電剛才我們說在手訂單8MW，就是171m，將來直徑可能會更大，所以中壓看起來是個不可避免的趨勢。海上風電除了風機還有升壓平臺，還有陸上的變電站。未來大家也在討論走柔值，但是柔值至少現在的成本，大家主要從經濟性考慮，從經濟性考慮只有這個紅框，可能只有紅框以外才考慮柔值，但是現在大家都在探討是不是更具有經濟性的方案做直流輸電，也可能會突破紅框，但至少現在看起來就是80公里，然后傳輸容量大概300多兆，這個理所當然是交流傳輸的一個最具有經濟性的方案。

 

　　風電就是從風機到齒輪箱到發電機，到發電機里定子、轉子再定網，這樣引申觸很多發電系統，第一種雙饋大家嘗試一下就放棄了，因為滑環等等，第二是西門子或者遠景用的方案，然后直驅，直驅是湘電、西門子還有金風，最大的就是西門子的S154-8，但是大家很多會考慮電機太大、太重、成本太高，就選折中的方案中速加高速，永磁同步電機。這種方案像國內最大的泰眾的8MW171m，還有其他廠家也在考慮做永磁的高速的方案。

 

　　下面簡單對比一下現在看到的海上的幾種變流器的方案，現在國內最常見的還是低壓的，4MW以上用在海上也是低壓的，包括西門子也低壓的，不過西門子把變壓器和變流都放在機器上面了。其他的像國內泰眾、遠景、金風等等都是通過非常多690v的低壓電流把塔底的變流器跟機艙上面的發電機連在一起。我們經常說一代電力電子器件決定了一代變流技術，廣義說是變流，狹義說是變頻。這個圖就是從低壓的IGBT，低壓的IGBT一般來說單機我們很少把它做到2MW以上，現在禾望做到6MW，但是單機是最大做到4點幾MW，但是內部其實也是并聯出來的，看起來是一個單機。真正的一臺變流器其實低壓的幾乎是容量的極限就是2MW。所以在這樣的話海上風電現在已經是4MW是底，再往上5、6、7、8甚至10，甚至十幾的時候就要考慮其他范疇了，這樣的話IGBT、IEGT、IGCT變成三種拓撲。

 

　　下面簡單看一下低壓方案，禾望現在就是4MW的單機，如果4MW以上的5MW，6MW都是并聯出來的，可以說我們現在在海上風電領域國內現在除了用ABB的變頻器的，還有用進口的像西門子自己自帶的之外，幾乎所有廠家就是海上風電我們全部都覆蓋了。所以我們在這方面還是跟很多的做海上風電的整機廠都有很多的交流。像低壓方案就是他技術非常成熟，功率密度相對也是比較高的，因為絕緣這方面的壓力都很小，成本低這是最大的優點，因為他在陸上風電等等這些方案被大量使用。

 

　　中壓的IGBT的我們幾年前也做過這種方案，但是它也跟低壓面臨類似的問題，單機容量太小。因為中壓的IGBT4.5千伏想要并聯基本上存在各種風險，如果到5MW就要兩臺并聯，如果到5MW以上到7MW、8MW就需要三臺并聯，所以說整體的體積成本還是有點不太具有優勢。

 

　　然后就是IGCT，IGCT不需要并聯，一個IGCT用在3000千伏的話，單機可以用到12個MW，但是用在我們風電里面就只能用到8點幾MW，我們大型工廠里面有冷水管，一般是30度左右的冷水輸進來，但是我們風電一般用空氣散熱器，所以水溫是50度，就是20度的溫度差導致12兆瓦的變流在我們風電領域只能做8MW左右用。

 

　　IEGT其實就是IGBT的硅電直接通過壓接方式的IEGT，里面都是一些小的硅片，上面用木塊把它壓起來，然后做成壓接型的，中壓的4.5千伏的IEGT電流最大的就是50安培，加入150安培的意味著里面有25支硅片并聯，這只是IGBT，IGCT就簡單多了，就是一支硅片，4000安培的平均可能電流是1400左右，如果有效值可能會高一點，1600、1700。

 

　　對比來說IGCT跟IEGT，最近總有客戶來問我這個問題，對比來說就是IGCT的損耗相當低，因為IGBT的損耗本來就是最高的，所以從整體的放電效率來說IGCT是一種非常優秀的變流器。像ABB的中壓變流幾乎全部都是IGCT的，他在幾年之前大概全世界有6000臺的裝機量，全都是IGCT的。

 

　　這是一個對比，可能這個數據有點多，但是我們海上風電第一關注的就是可靠性，從這個器件的數量上來看，器件的數量像低壓的話意味著我們要用8MW，如果是IGET是要52支，IGBT同樣是78支，內部一樣很多的并聯。這三種可能算起來IGBT都是用千來計的，大家知道一個硅片的可靠性大概是20個PPM，30個PPM左右，如果論一千只，兩千只，三千只器件的時候天然就具有高故障率。IGCT就是62支IGCT，器件非常好，從效率、成本、體積綜合各方面來考慮，IGCT非常具有優勢。

 

　　下面介紹一下我們現在這個產品，IGCT變流器的解決方案，IGCT大家也有人再說這個器件是不是新器件？其實不是新器件，全世界已經是成熟20年的器件，它是在GDO的基礎上，所以我們發展出來的。它的硅片面積和開關損耗，關斷損耗，們及驅動功率比較大，在損耗方面跟IGBT在中壓上的來比具有巨大的優勢。

 

　　從拓撲來說，簡單的三電平拓撲，其實簡單不是這樣，IGCT需要一個DIDT，所以一般來說我們有DIDT的限制電路。同時我們現在也開發出來用ANPC把容量進一步提高，而且多了一個控制的維度，控制起來就會更得心應手一些。

 

　　同樣為了提高IGCT的利用率，因為IGCT在整機成本里占了50%以上，所以怎么把這個管子能利用到最大？所以我們現在加了一些吸收電路，用于10兆伏安的拓撲這樣容量更大，放在風電就是8點幾的兆伏安，它就是把關斷時候的損耗給大幅度的降低了，理論上當然可以降低80%幾，但實際上我們大概可以降低60%左右，因為關斷損耗對IGCT來說是最大的一塊損耗。

 

　　使用IGCT它最核心的一個問題就是如何保護它，因為IGCT它跟IGBT不一樣，IGBT過流天然就有阻斷作用，但是IGCT不行，所以IGCT最重要的，就是它這個可關斷能力4000安培，超過4000安培就不可關斷，所以這時候我們要如何去保護它？第一就是分流，因為IGCT本身耐流能力非常強，可以耐百分之一千多，而且是10毫秒，而我們一般IGBT只能耐百分之二百，所以盡管把它打通掉，這就是打通之后的振動波形。但是現在我們通過高速的邏輯判斷，把這個狀態停下來。大家也有人經常問IGCT的開關頻率這么低怎么辦？其實不管IGCT、IGBT還是IEGT，到了中壓1500v它們三個的開關頻率非常接近，IGCT只是稍微略低一點，因為我們出于損耗的角度不希望把它的開關頻率弄得很高。不管是哪一種器件做的中壓的三電平，都是必須要做特定磁消斜的。

 

　　其實這個算法做好了之后我們實測的結果就是中壓的三電平的拓撲做得變流器的電流諧波，而我們一般的兩電平的低壓190V的就是標準限制是5%。

 

　　這是一個真實的拓撲，從你們這邊看左邊是機側，右邊是網側，網側有網側濾波器，機側有機側濾波器。這是一個真實的產品，因為這個跟我們在其他領域用的都不一樣，我們在其他領域比如在冶金我們都做成一字排開的電器柜，但是我們風電領域做成兩排，是為了把它布在5米8的圓形塔筒里面。

 

　　這是我們的功率模組，一項一個三電平的橋壁（音），它是一個兼容性的設計，這樣這個功率如果用MPC再加上緩沖的話差不多可以到14個兆伏安。這是我們在這個基礎上做的24個兆伏安的電力機的同步電機的變流器，是個五電平的，整個產品就是從5M到24M是個全系列的產品，風電僅僅是這個系列產品的一個應用。這是我們2015年在湘電做試驗，后來2016年底在張北全面通過測試。大家很多的擔憂通過這次測試是徹底的解決了，因為大概整個調試測試上電，最后把這個機器滿發起來，電網適應性都測完大概就是兩個星期，非常快。同樣的我們說國際上最強的ABB，他大概花了一年的時間，炸了20幾支管才開始完成整個試驗。同樣現在我們正在做8MW的，應該很快的就會發貨了。下面就是有一些特殊的設計，比如在中壓里面在海上風電必須保證冗余，保證可靠性，去離子劑，不能讓人經常一年去換去離子計，去離子劑大概是五年的壽命，其實去例子劑是很便宜，關緊是要人換。其他就是諧波測試，大概在滿載的時候在1%點，在20%左右的時候負載就是在2%點幾。

 

　　效率是IGCT最突出的一個特點，跟低壓相比像97%的效率可以在百分之十幾的負載的時候就可以達到了，不僅僅是最高效率點，比低壓高很多，而且它的加權效率，低壓的話它的效率曲線是不太好看的，加權效率意味著真實的發電量，整體看如果把電纜的損耗考慮進去，然后把電機的損耗考慮進去的話，因為高壓電機比低壓電機效率高，因為高壓電機端部繞組少，所以它的電機效率會高0.3-0.5個點，所以整體看到就是3-3.5，就是低壓方案跟中壓方案相比。所以對于8MW系統每年就是多發電90萬度電，大概就是80萬塊錢，給變流器上多付出那一百多萬，大概一年多就賺回來了。

 

　　大過載能力，IGCT是天然的大過載能力，20倍以上的電流。從安裝上來說IGCT這個東西本身比較重，像西門子他們同樣功率的是350公斤，我們現在做到170公斤，但是170公斤還是相當困難，所以我們每臺機器隨機都會帶著一點配件，這樣的話保證在現場可以很容易的裝卸。其他的就是高穿、低穿、零穿這些東西都已經做過很多實驗，包括阻抗比，禾望所有的風電產品都可以做到2，甚至更低一點到1.6，通過發無功的方式來實現，謝謝大家！