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CWPE2018:清华四川能源互联网研究院先进直流技术研究中心执行主任杨超——《基于先进电力电子技术的大容量海上风电并网与输送》

2018-11-15 来源:东方风力发电网 浏览数:2312

2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。清华四川能源互联网研究院先进直流技术研究中心执行主任杨超在嘉宾演讲环节发表了题为《基于先进电力电子技术的大容量海上风电并网与输送》的演讲。

   2018年11月14日上午,由中国电器工业协会风力发电电器设备分会、中国电工技术学会风力发电技术专业委员会、东方风力发电网主办,江苏中车电机有限公司承办的第三届中国海上风电大会暨风电电气装备高峰论坛在北京四川五粮液龙爪树宾馆隆重开幕。


 
  清华四川能源互联网研究院先进直流技术研究中心执行主任杨超在嘉宾演讲环节发表了题为《基于先进电力电子技术的大容量海上风电并网与输送》的演讲:
 
  今天我给各位分享的主题主要分为五个内容:
 
  一、海上风电发展概况;
 
  相信这两天各位专家可能都做了不同类型的非常详细的介绍,在我这儿就大概的给大家快速的过一下一些基本要点。根据清华大学前期的一些调研以及现在的一些学术资料来看,我国在5-25米水深以内的近海区域,海平面以上50米高度的风电可装机容量大概2亿千瓦这样一个量级。有些特点包括东部海岸线长,风能资源好,风能质量好,具备大规模发展海上点的资源条件。另外东部区域电力需求巨大,海上风电可以就近消纳,在这一区域发展海上风电具有非常广阔的前景。
 
  根据前期的一些统计可以看到这是2017年中国海上风电新增容量达到1.164兆瓦,比前一年增长了71.5%,这是非常巨大的一个数字。截止2017年底,中国已建成的海上风电项目装机容量共计2788兆瓦。在2016年已经跃升到全球第三位。根据“十三五”规划,预计到2020年我国海上风电装机容量能达到5GW这样一个量级。
 
  再看一下海上风电发展的趋势,首先看到风机容量不断地在提高,欧洲海上风电历年的一些装机容量,是逐年在提高的。目前来说聪颖过、德国、丹麦一些西欧国家,100兆瓦以上的大型海上风电场已经具备,大部分采用6兆瓦机组。2016年欧洲海上风电平均单机容量4.8兆瓦,到2016年底8兆瓦的一些机组也完成了吊装和并网发电。这里面我们看到是中国海上风机不同功率机组累计的安装容量,主要是以3-4兆瓦的风机为主,6兆瓦的机组也已经有了一些实际的应用,我们相信到2020年我们具备8兆瓦及以上的大型海上风机制造的能力。
 
  欧洲海上风机组历年的离岸距离,2015年欧洲新建的项目平均离岸距离是38.4公里,同比增长了28%,2016年到了43.5公里。目前来说德国Global Tech1期风电场离岸距离达到115公里。相信随着海上风电技术的进步,这种趋势一定会在中国复制,也会有同样的离岸距离越来越远的情况。
 
  二、大容量海上风电换流器;
 
  目前来说风机绝大多数都是变速风机,主要的两个主流技术分别就是双馈风机组和直驱风机组,比较而言就是在双馈这一块,主要是换流器连接在转子和定子之间,换流器容量相对来说要比风机小一些,大概是30%左右。有什么样的问题?主要是维护成本比较高,齿轮箱需要定期维护,通常来说换流器通过滑环与电刷还有转子连接,平均的寿命大概6-19个月。另外一个应用比较广泛的就是直驱的风机组,通过换流器背靠背连接在定子与电网之间实现并网,通常采用的是全功率背靠背的换流器。大家比较熟悉的ABB的PSS6000。好处是维护成本比较低,通过采用高极对数的发电机,甚至可以不用齿轮箱,采用永磁的还能进一步取消滑环与电刷。
 
  做一个比较,接下来会看到风机的换流器的电压等级逐步升高,目前来说主要典型的电压是在690V,我们通过一些大量的仿真比较,实际的现场实验,我们认为三到四千伏以上的风机,三电平是最好的。典型功率我们在目前来说690V主要集中在0.75-6兆瓦的容量,大于3兆瓦我们认为采用三千伏和更高的容量是最合适的。目前状态也是比较成熟的,市场应用相对来说还是比较少。
 
  另外大概看一下大容量风机组的技术趋势,目前最大容量是8兆瓦,很多国内外的企业也在做10-15兆瓦的开发计划。预计到2020年可能会有15兆瓦以上的风机。10兆瓦级以上的风电换流器的研究发展方向就提出了很多新的挑战,在器件层面需要更高的电压,更大的容量,更低的损耗器去应用。在换流器拓扑不再单单限于二极管,可能还有新的3电平、4电平,5电平的方式,甚至紧凑化的MMC方案。还有如何将风机换流器与直流变流的功能与直流输送的功能相结合。
 
  三、大容量海上风电直流输电;
 
  我们都知道现在目前来说海上风电并网有交直流两种方式,传输距离超过一定距离之后就会有两个不同的问题,一是产生交流的时候电缆电容充电对输电容量的影响,交流输电海底电缆距离逐步增大输电在下降。二造价与输电距离的关系,当传输距离通常我们认为在海上超过50公里交流就比直流的经济性要更差了。所以随着风场距离的增加,我们认为输送容量也进一步增大,直流输送方式一定会成为一个必然的选择。


 
  目前我们大致对现有的比较前沿的以及未来可能会出现的做了一个总结,最常见的就是交流汇集集中换流的一种方式,第二种就是交流汇集和二极管整流的方式,好处就是我们的二极管的换流站可以做得非常小,也是西门子现在在提的一个新的技术解决方案。第三种就是串联直流输电,我们采用了直流的换流器采用串联升压的方式,这样的一个好处可以是避免使用海上的大型换流站平台的方式。第四种也是通过直流汇集,采用直流输电的方式。
 
  做一个比较,方式一:现在比较常见,目前来说大部分都是采用这样一种非常成熟。方式二:目前来说是一些企业在主流去推的,可以说相对来说它的海上平台可以做得比较分散,可以做得更小,对海工技术要求更低一些,风机控制要做一些改变,建设难度可以说比现有的方式要减小了,成本也可以进一步降低,关键技术我们认为近期是可具备的。方式三:串联直流这样一种方式,这也是我们目前认为将来会是比较有前景应用的方式,可以看到它是不需要建立海上平台的,这也是一直以来困扰海上风电的一个最大的挑战,在风机换流器上肯定要做一定的调整,我们认为采用更高电压等级的风机换流器会更有经济价值。也会要求进一步去做风机控制的调整,建设难度相对来说也比较小,因为我们省去了海上环流平台的要求。方式四:这应该是我们展望未来的一种更具挑战性或者具有新的电力电子技术的应用。
 
  四、大容量电力电子器件发展;
 
  因为前面也介绍了随着风机容量的不断增大,换流器容量不断地增大,也要求我们对电力电子器件无论是容量上,电压电流等级上及可靠性都提出了一些新的要求。目前来说比较成熟的器件主要分为两类:一类是晶闸管类,二类是晶体管类的。这四款器件可能是目前来说大功率上应用最为广泛的。
 
  我们选取最为典型的两类,一个是IGCT一个是IGBT,它俩的差别一个是门极电流控制器件不同,IGCT导通压降较低,IGBT导通压降大。IGCT所能实现的电压交流等级较高,IGBT比较低一点。
 
  进一步去看IGCT比较主要结合了IGBT和GOT的优点,可靠性高,成本低、工艺基础好、压降低、体积小。绿色这条线是IGCT主要的工作区间,基本上都覆盖了IGBT。
 
  再去看一些它的器件的优势,首先它是一个压装封装型的器件,器件的故障后首先来说不会发生爆炸,失效模式也是短路的失效模式,散热性能更好。相较于压接式IGBT我们认为IGCT具有明显成本优势,因为前面也介绍了IGCT是基于晶闸管技术的,非常适合在中国的应用或者在器件上的拓展。因为中国国内在生产晶闸管这个技术已经非常成熟了,但在生产IGBT这个工艺上还有很长的路要走。
 
  考虑到通过使用IGCT或者IGBT来构建模块化多电平的换流器,根据之前发表一些论文可以看到,基于IGCT的MMC失效率比IGBT要小很多,仅仅为1/4这样一个数量级,这张图展示了是20年之后它的可靠度在10年以上,在12年可能都还是非常高。
 
  单纯从器件层面来看IGCT的可靠性是怎么样,这个也是基于之前大量的数据统计,可以看到IGCT的失效率仅为IGBT的1/3,主要是IGCT的半导体结构决定它的可靠性高于IGBT的芯片,首先采用单片结构,降低了故障的机率,另外是采用积极开路的模式,降低了器件被损害的机率。采用全压接式设计,无焊线。另外是压接式的封装,密封模式下故障情况不会发生爆炸。
 
  另外我们去看一下IGCT器件跟IGBT对比的一个效率,可以看到这是一个导通压降,这是IGCT的导通压降,比IGBT小1.5V,同时可以看到在应用IGCT和IGBT它的整体MMC的效率对比,IGCT是远远低于IGBT的。
 
  五、总结。
 
  最后做一个总结,目前来说海上风电在快速发展,我们的装机容量已经达到第三位,可能会再向上跃升。目前的项目从现在的由小即大,离岸距离由近及远的趋势,相信海上风电场通过柔性直流输电的接入电网的方式具有更好的技术性和经济性。大容量海上风电的直流输电面临新的技术挑战,减小甚至取消海上集中环流平台是发展趋势,未来将向全直流的海上风电接入方式发展。大量IGCT器件具有容量大、成本低、损耗低和可靠性高等优点,在大容量海上风电具有广泛应用前景。
 
  (发言整理自现场速记,未经本人审核)

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