深圳市禾望电气股份有限公司研发总监郑大鹏：海上风电机组中压变流系统

　　

 

深圳市禾望电气股份有限公司研发总监郑大鹏先生

 

　　郑大鹏：所有的整机厂在设计海上风电的大容量的变流器的时候都会遇到一个困惑，就是到底是用中压还是低压，用中压好像比较新，但是从今年看起来也不新了，因为湘电在福建的风场都已经投入发电，而且效果都很好。但是还有很多人不敢选中压，因为没用过，有人怀疑变流器中压到底行不行。但是电机其实我们在陆地上使用发电机11千伏，一般来说11千伏是很成熟的，甚至13.8千伏也有。变流器的话其实像三电频的变流器在大型传动上，从几兆到几十兆瓦甚至百兆的都很成熟，其实在我们风电领域还不多，大部分选低压的现在都把变流器放到塔底，到现在为止，我们国内还没有人敢把变流器和变压器低压的一起放在机舱上面，担心维护的问题，所以这样造成了很多的电缆。电缆大家可以想象一下一个6MW或者7MW，现在我们接手的订单有8MW，8MW大概8000安培，不仅是电缆的成本问题，还是扭缆设计起来非常困难，所以今天我的PPT主要是讲中压电流。

 

　　海上风电刚才我们说在手订单8MW，就是171m，将来直径可能会更大，所以中压看起来是个不可避免的趋势。海上风电除了风机还有升压平台，还有陆上的变电站。未来大家也在讨论走柔值，但是柔值至少现在的成本，大家主要从经济性考虑，从经济性考虑只有这个红框，可能只有红框以外才考虑柔值，但是现在大家都在探讨是不是更具有经济性的方案做直流输电，也可能会突破红框，但至少现在看起来就是80公里，然后传输容量大概300多兆，这个理所当然是交流传输的一个最具有经济性的方案。

 

　　风电就是从风机到齿轮箱到发电机，到发电机里定子、转子再定网，这样引申触很多发电系统，第一种双馈大家尝试一下就放弃了，因为滑环等等，第二是西门子或者远景用的方案，然后直驱，直驱是湘电、西门子还有金风，最大的就是西门子的S154-8，但是大家很多会考虑电机太大、太重、成本太高，就选折中的方案中速加高速，永磁同步电机。这种方案像国内最大的泰众的8MW171m，还有其他厂家也在考虑做永磁的高速的方案。

 

　　下面简单对比一下现在看到的海上的几种变流器的方案，现在国内最常见的还是低压的，4MW以上用在海上也是低压的，包括西门子也低压的，不过西门子把变压器和变流都放在机器上面了。其他的像国内泰众、远景、金风等等都是通过非常多690v的低压电流把塔底的变流器跟机舱上面的发电机连在一起。我们经常说一代电力电子器件决定了一代变流技术，广义说是变流，狭义说是变频。这个图就是从低压的IGBT，低压的IGBT一般来说单机我们很少把它做到2MW以上，现在禾望做到6MW，但是单机是最大做到4点几MW，但是内部其实也是并联出来的，看起来是一个单机。真正的一台变流器其实低压的几乎是容量的极限就是2MW。所以在这样的话海上风电现在已经是4MW是底，再往上5、6、7、8甚至10，甚至十几的时候就要考虑其他范畴了，这样的话IGBT、IEGT、IGCT变成三种拓扑。

 

　　下面简单看一下低压方案，禾望现在就是4MW的单机，如果4MW以上的5MW，6MW都是并联出来的，可以说我们现在在海上风电领域国内现在除了用ABB的变频器的，还有用进口的像西门子自己自带的之外，几乎所有厂家就是海上风电我们全部都覆盖了。所以我们在这方面还是跟很多的做海上风电的整机厂都有很多的交流。像低压方案就是他技术非常成熟，功率密度相对也是比较高的，因为绝缘这方面的压力都很小，成本低这是最大的优点，因为他在陆上风电等等这些方案被大量使用。

 

　　中压的IGBT的我们几年前也做过这种方案，但是它也跟低压面临类似的问题，单机容量太小。因为中压的IGBT4.5千伏想要并联基本上存在各种风险，如果到5MW就要两台并联，如果到5MW以上到7MW、8MW就需要三台并联，所以说整体的体积成本还是有点不太具有优势。

 

　　然后就是IGCT，IGCT不需要并联，一个IGCT用在3000千伏的话，单机可以用到12个MW，但是用在我们风电里面就只能用到8点几MW，我们大型工厂里面有冷水管，一般是30度左右的冷水输进来，但是我们风电一般用空气散热器，所以水温是50度，就是20度的温度差导致12兆瓦的变流在我们风电领域只能做8MW左右用。

 

　　IEGT其实就是IGBT的硅电直接通过压接方式的IEGT，里面都是一些小的硅片，上面用木块把它压起来，然后做成压接型的，中压的4.5千伏的IEGT电流最大的就是50安培，加入150安培的意味着里面有25支硅片并联，这只是IGBT，IGCT就简单多了，就是一支硅片，4000安培的平均可能电流是1400左右，如果有效值可能会高一点，1600、1700。

 

　　对比来说IGCT跟IEGT，最近总有客户来问我这个问题，对比来说就是IGCT的损耗相当低，因为IGBT的损耗本来就是最高的，所以从整体的放电效率来说IGCT是一种非常优秀的变流器。像ABB的中压变流几乎全部都是IGCT的，他在几年之前大概全世界有6000台的装机量，全都是IGCT的。

 

　　这是一个对比，可能这个数据有点多，但是我们海上风电第一关注的就是可靠性，从这个器件的数量上来看，器件的数量像低压的话意味着我们要用8MW，如果是IGET是要52支，IGBT同样是78支，内部一样很多的并联。这三种可能算起来IGBT都是用千来计的，大家知道一个硅片的可靠性大概是20个PPM，30个PPM左右，如果论一千只，两千只，三千只器件的时候天然就具有高故障率。IGCT就是62支IGCT，器件非常好，从效率、成本、体积综合各方面来考虑，IGCT非常具有优势。

 

　　下面介绍一下我们现在这个产品，IGCT变流器的解决方案，IGCT大家也有人再说这个器件是不是新器件？其实不是新器件，全世界已经是成熟20年的器件，它是在GDO的基础上，所以我们发展出来的。它的硅片面积和开关损耗，关断损耗，们及驱动功率比较大，在损耗方面跟IGBT在中压上的来比具有巨大的优势。

 

　　从拓扑来说，简单的三电平拓扑，其实简单不是这样，IGCT需要一个DIDT，所以一般来说我们有DIDT的限制电路。同时我们现在也开发出来用ANPC把容量进一步提高，而且多了一个控制的维度，控制起来就会更得心应手一些。

 

　　同样为了提高IGCT的利用率，因为IGCT在整机成本里占了50%以上，所以怎么把这个管子能利用到最大？所以我们现在加了一些吸收电路，用于10兆伏安的拓扑这样容量更大，放在风电就是8点几的兆伏安，它就是把关断时候的损耗给大幅度的降低了，理论上当然可以降低80%几，但实际上我们大概可以降低60%左右，因为关断损耗对IGCT来说是最大的一块损耗。

 

　　使用IGCT它最核心的一个问题就是如何保护它，因为IGCT它跟IGBT不一样，IGBT过流天然就有阻断作用，但是IGCT不行，所以IGCT最重要的，就是它这个可关断能力4000安培，超过4000安培就不可关断，所以这时候我们要如何去保护它？第一就是分流，因为IGCT本身耐流能力非常强，可以耐百分之一千多，而且是10毫秒，而我们一般IGBT只能耐百分之二百，所以尽管把它打通掉，这就是打通之后的振动波形。但是现在我们通过高速的逻辑判断，把这个状态停下来。大家也有人经常问IGCT的开关频率这么低怎么办？其实不管IGCT、IGBT还是IEGT，到了中压1500v它们三个的开关频率非常接近，IGCT只是稍微略低一点，因为我们出于损耗的角度不希望把它的开关频率弄得很高。不管是哪一种器件做的中压的三电平，都是必须要做特定磁消斜的。

 

　　其实这个算法做好了之后我们实测的结果就是中压的三电平的拓扑做得变流器的电流谐波，而我们一般的两电平的低压190V的就是标准限制是5%。

 

　　这是一个真实的拓扑，从你们这边看左边是机侧，右边是网侧，网侧有网侧滤波器，机侧有机侧滤波器。这是一个真实的产品，因为这个跟我们在其他领域用的都不一样，我们在其他领域比如在冶金我们都做成一字排开的电器柜，但是我们风电领域做成两排，是为了把它布在5米8的圆形塔筒里面。

 

　　这是我们的功率模组，一项一个三电平的桥壁（音），它是一个兼容性的设计，这样这个功率如果用MPC再加上缓冲的话差不多可以到14个兆伏安。这是我们在这个基础上做的24个兆伏安的电力机的同步电机的变流器，是个五电平的，整个产品就是从5M到24M是个全系列的产品，风电仅仅是这个系列产品的一个应用。这是我们2015年在湘电做试验，后来2016年底在张北全面通过测试。大家很多的担忧通过这次测试是彻底的解决了，因为大概整个调试测试上电，最后把这个机器满发起来，电网适应性都测完大概就是两个星期，非常快。同样的我们说国际上最强的ABB，他大概花了一年的时间，炸了20几支管才开始完成整个试验。同样现在我们正在做8MW的，应该很快的就会发货了。下面就是有一些特殊的设计，比如在中压里面在海上风电必须保证冗余，保证可靠性，去离子剂，不能让人经常一年去换去离子计，去离子剂大概是五年的寿命，其实去例子剂是很便宜，关紧是要人换。其他就是谐波测试，大概在满载的时候在1%点，在20%左右的时候负载就是在2%点几。

 

　　效率是IGCT最突出的一个特点，跟低压相比像97%的效率可以在百分之十几的负载的时候就可以达到了，不仅仅是最高效率点，比低压高很多，而且它的加权效率，低压的话它的效率曲线是不太好看的，加权效率意味着真实的发电量，整体看如果把电缆的损耗考虑进去，然后把电机的损耗考虑进去的话，因为高压电机比低压电机效率高，因为高压电机端部绕组少，所以它的电机效率会高0.3-0.5个点，所以整体看到就是3-3.5，就是低压方案跟中压方案相比。所以对于8MW系统每年就是多发电90万度电，大概就是80万块钱，给变流器上多付出那一百多万，大概一年多就赚回来了。

 

　　大过载能力，IGCT是天然的大过载能力，20倍以上的电流。从安装上来说IGCT这个东西本身比较重，像西门子他们同样功率的是350公斤，我们现在做到170公斤，但是170公斤还是相当困难，所以我们每台机器随机都会带着一点配件，这样的话保证在现场可以很容易的装卸。其他的就是高穿、低穿、零穿这些东西都已经做过很多实验，包括阻抗比，禾望所有的风电产品都可以做到2，甚至更低一点到1.6，通过发无功的方式来实现，谢谢大家！