维谛技术有限公司研发总监赵岷：海上风电变流器的设计和应用

　　

 

维谛技术有限公司研发总监赵岷先生

 

　　赵岷：我的题目是“海上风电变流器的设计和应用”，我从一个方面来讲解总体概况，总体表达的意思就是海上风电蓄势待发，后面有很多工作可以去做，有很大的市场，就是这么一个想表述的意思。

 

　　针对于海上风电作为微逆技术，我们所承担的心情是什么？首先肯定是高兴，兴高采烈。每一个风电从业者都应该是兴高采烈，因为我们国家40%风况最好的地区不新批项目的话大家得吃饭，这是最实在的东西，全部都挤在60%低风速地区的话我们肯定都很艰难。海上是一个新的机会，但是又有一个新的挑战，所以有战战兢兢之感，要小心的对待海上风电整个所面临的新的问题和新的挑战。所以最后我写了一个是对市场保持敬畏之心，如果你不对市场保持敬畏之心，市场就会发飙让你知道你要对它保持敬畏之心。因为我们市场太大了，几十万上百万的设备，几千块的设备，就让几分钱的设备不当导致批量整改，我们也不是没吃过这样的亏，肯定是有的，肯定我们在市场上始终对市场保持敬畏。

 

　　敬畏归敬畏，还是要继续往前走。还是要面对这些挑战和困难，我们风电从陆上进军海上，变流器有哪些变化？从我们看来有很多很多，比如功率增大，功率增大因为我们基建成本比陆上高，所以功率增大对于单位瓦时的成本下降是有好处的。维护难度增大，陆上虽然比较辛苦，但是大部分还是能赶得到的，海上如果有个风十天半个月上不去也是有可能的，当然有炒的比较热的电压等级，到底用中压还是低压，中压产品的话用哪些器件，有很多讨论。我想说的就是环境变化，其实我们从陆上进军海上，我们认为最大的变化还是环境。其他的因素引发的像功率增大、电压等级，这个总体来讲还离不开一个电的范畴，但是环境的变化是非常非常大的，完全不一样的环境。像我们在西安内陆地区，到海边明显感觉就不一样，对人体感觉都是非常明显的，对机器的话长年累月放在那里也是非常有挑战的事情。

 

　　如何进行环境变化的研究？先说一个方法论，实际上就是四个阶段。海上到底有什么需求？包括客户需求，应用环境需求，标准规格设计。需求识别以后就要去设计，你识别需求的话如何满足这些需求？包括适应性设计、可靠性设计，包括一些分析。设计完了以后是不是就能达到满足你的需求呢？这个要去验证，要去测试，做一些环境试验，可靠性试验，所有这些都做完了只是万里长征第一步，最后要投入市场运营，要看一下前面需求收集是否合理，最重要的是你的设计是否满足了这个需求，要跟踪市场的表现。我们在很多新产品投入市场的时候往往会产生这样的情况，但是不要紧，只要我们有跟踪，有闭环，这些问题迟早都会得到很好的解决。这就是这四个部分，我的胶片，后续的胶片基本上就围绕这四个部分进行。

 

　　海上变流器全生命周期遇到哪些环境条件，下面这全部都是指的从工厂一直到调试和运行等等，包括最后的报废拆除，在每个环节我们变流器可能遇到的这个环境因素，包括温湿度，淋浴、盐雾，吊装跌落等等。在这些环境下存在哪些环境因素？这些环境因素对人来讲就是很潮，感觉潮湿、潮热，身体不舒服。对于机器来讲机器会有什么反应？对于机器影响是什么？我们是第三步的分析。

 

　　需求识别这方面我们可以看一下海上风电变流器面临的需求，大概就是六个因素：环境因素高低温、湿度、压力、辐射、风度、海浪、冰、霜等等。第二是微生物因素，我们包括微生物、动物、海洋生物，比如说牡蛎之类的。第三是化学活性物质就是盐雾。第四是机械条件一般就是沙、石，这些在海上来讲会好一些。在水温条件包括海水的温度，包括盐度，波浪、海冰。最后就是机械条件，包括振动、冲击，包括在吊装过程中可能会产生的倾斜，这是六大方面。下面再简单看一下这六个方面大体上会对变流器产生什么影响。

 

　　像气候条件，我们很多气垫都会有曲线，在什么样的环境下就有什么样的条件，当然要把所有温度环境变化因素考虑在内，包括辐射引发的高温，因为功率半导体在高原上，在紫外线非常强烈的时候，受紫外线辐射也是有一定损坏率的，但是在海平面的情况下辐射会引发高温。包括温度变化引发材料的龟裂，包括温度变化引发的凝露，这种情况下如果放在导电的设备上来讲很有可能会引发短路。

 

　　化学活性物质对产品造成的潜在影响，包括电化学腐蚀，可以看这是海边的桥梁腐蚀，包括密封胶条老化，包括漆层起泡和脱落，包括机械引发的沙石，包括像内部的断路器方面的设备引发了机械不能及时的开通和关断，或者反馈信号主电路工作是合格的，但是给你发了错误的信号，让变流器做出错误的判断，这个也是很麻烦的。像电解作用引发的漆皮的气泡和脱落，而且霉菌会加速它的老化，一旦起了霉，霉菌是在湿度条件下产生的，一旦产生霉又加大它的湿度，因此加速了霉菌的变化，所以在霉菌方面我们最好的方式就是切除它起霉的条件。

 

　　机械条件对产品造成的潜在影响，包括跌落，还有倾斜等等这些如果设计不当的话都会产生，我们可以看到主框架变形，器件松动，这些都会影响产品的性能表现。这就是简单说一下我们的需求以及对变流器导致的一些恶果。

 

　　下面咱们讨论一下怎么样防止这些悲剧的产生，那就是恰当的设计，举个例子像我们水冷器件，散热器，气热换热器，这种就是说你为了适应它的高温条件下顺利运行，就是把机器内部所产生的热量非常充分的带动，在机器内部保持一个比较好的温度环境。比如说水桶电缆，水桶电缆设计还是相对比较麻烦一些，但是它产生的水度有96%是被水度带走了，只剩下4%的残余热量，这样在机器内部热量快速被带走，主要保持机器内部比较低的相对温度。还有在整机设计和布局也是很有考究的，因为布局的问题我把这个导了一下，实际上它应该是立起来的。也就是说你在布局的时候对热比较敏感的器件就不要布到比较热的地方，就布到蓝色这些地方，还有就是散热量比较大的器件尽量就不要影响其他器件，特别是对热比较敏感的器件。本身整机温度就比较高了，你就不要让散热比较大的器件再雪上加霜了，你的风道，整个水路都是要整体协调和考虑。通过这样我们达到比较好的满功率的温度，或者是比较好的降温的温度范围，就是比较宽的工作范围。

 

　　设计的话还有一些密封设计，在海上对于盐雾、霉菌这些来讲，对于内部的设计影响，我们就把它拒绝于变流器外，做一些密封方案，过线密封、密封组件、门板密封、局部密封、密封接口等等，这样实现整机机柜至少实现IP54的防护等级。左边做的是IPX5的试验，最低是IP54，我们按照IP55来做的。这是密封。

 

　　这个是像机械方面的一些设计，像机柜的随机振动包括减振器，最右边的软连接我们看主要体现在上面的扭排，包括接插件，还有一些仿真，固有频率仿真，这个在机械方面都要考虑，所有这些都满足最后的机械应用要求。

 

　　设计说完了下面就看看测试怎么测，怎么样满足需求，然后你的设计是不是满足需求。测试总是有一个标准，我们的标准就是方方面面的，简单搜集了一下有很多，现在推荐的国标还有行业标准等等，这里面还没有说海外的IEC标准。举例子，整个标准都是不一样的，怎么办？其实最简单粗暴的方式就是把它全部合起来做个并级然后去做，这些我们都是用海上方向去用，海上有些整机厂卖到不同的国家，就根本不同国家的高低穿越的标准，就这个标准，我们在环境实验上也是一样的，把所有的标准合起来求个并级。

 

　　所以总结出来大体上有三种，一种是季候类，一种是机械类，一种是特殊类，所有的实验基本上就和前面的设计相匹配起来。

 

　　我们看一下具体做的一些工作，一个就是机柜做的防腐实验，因为这些实验不太好做，都是到全国各地找资源，防腐实验是我们通过了C5防腐等级。

 

　　这是霉菌，我们做了28天的霉菌实验，这是霉菌实验箱，这是我们选用的器件放了28天看它是不是长霉，右边是报告。

 

　　盐雾我们做得比较多，因为海上我们直观感受就是盐雾。分了几个层次去做，第一就是做了一个迷你柜，里面把我们一些敏感的器件摆上去，然后也是同样的做了28天的实验，然后在小柜子外面有一些对比的器件，我们看一下28天以后的情况，上面是我们在迷你柜里面的器件，下面是我们放在外面的器件，可以看到整个柜体的防护还是非常有效的，整个对比也是非常明显的。

 

　　整机怎么办？整机不太好做，但是我们也做了。我们找个整机放在大的机柜里面，主电路上该有的电基本上都有了，这是做了28天的盐雾实验，这是做完了以后实验现场下面那个就是我们的界面，就是说这个机器在运行着的，右边的图是我们做完28天以后看到里面的器件，基本上没什么影响，最后面是出的报告。

 

　　第三个层面就是前面都是加速实验，这一次我就自然放置，实际模拟海上实验，我们也参加了中国电气科学研究院作为项目主导方来做的实验，他们主要是在三亚有一片实验场地，把机器摆在那儿现场晾着，这是第一点。第二点在实验室人工模拟，这个我们其实也做了，第三个就是防护技术研究，我们现在做的是第一点就是在三亚现场摆着，这是现场的一些图片，现在已经做了有大半年了，4月份开始的，每三个月我们会过去看一下结果如何。

 

　　接下来是机械试验的代表，这个振动台它是32吨，按照应该是31094，因为这个标准是我们一个工程师牵头写的，所以标准相对比较严酷一点。

 

　　最后一点是问题闭环，我们现在在海上一个蓄势待发的状态，所以我们也是非常紧密的关注变流器的问题，只要有这种心态我相信最后的问题都会解决，这大体上就是我说的四个方面。

 

　　最后做一个广告，维谛技术做得比较扎实，我们公司整个推荐的是海上变流器的项目，参加了深圳市科学进步奖的评审，我们也获奖了，这个很不容易，在深圳获奖的名单里面只有两家是外资企业，包括我们，这个也是政府方面对我们工作的一个肯定。大概我的介绍就这么多，谢谢大家！