2016年11月3日，在“2016中國風電電氣裝備技術(shù)高峰論壇”的主題演講環(huán)節(jié)，上海電氣電力電子有限公司張魯華 博士作了中壓三電平全功率風電變流器的實踐與思考的相關(guān)報告。

上海電氣電力電子有限公司張魯華 博士

各位專家下午好，我們公司是從2001年開始做中壓三電平全功率風電變流器的，前面做了一套樣板機，到中間由于國內(nèi)市場沒有打開，所以說中間停了一下，現(xiàn)在回頭去看我們做這個事情的歷程，有一點收獲和一些想法，在這里和大家分享一下。我說的東西可能不如前面的專家介紹的那么量化和細致，我從一個感性和綜合的角度來和大家分享一下，如果有不對的地方請大家批評指正。
 

　　因為上海電氣比較大，上海電氣風電公司的名氣比較小，我們輸配電集團，我是來自技術(shù)中心，我們輸配電集團下面還有電力電子有限公司，我先給大家理清一下這個關(guān)系，順便做個小廣告。
 

　　是這樣的，我們和風電公司的關(guān)系，實際上是我們分屬兩個不同的集團，我們是輸配電集團，他們也是集團級別的，我們總體上來說是他們的一個供應商。我們技術(shù)中心主要是做研發(fā)工作，研發(fā)主要是在新能源變流器，包括風電還有太陽能，生產(chǎn)是在電力電子有限公司。
 

　　就風電變流器來說，我們是從1.25開始做的，然后到2MW，3.6MW。除了風電變流器，我們還有主控和變槳這一部分。我們現(xiàn)在大概變流器有1800多套，1.25的大概是300多套，剩下是2MW的，還有變槳。
 

　　一開始在做項目立項的時候，中央炒的比較火，所以說我們做了一個調(diào)研，左邊這個圖是我們根據(jù)市場的反饋總結(jié)一下變流器的成本大概占成本的7%，由變流器引發(fā)的故障的停機率大概在19%-20%，所以說我們也在想壓變流器的成本到底合不合理，還有運行和維護成本，大概在1毛錢左右就有點太高了，所以說就引出下面這個問題，后面的變流器的功率等級還有發(fā)電機的形式往哪個方向發(fā)展，我們做了一些取舍。在功率等級方面大家肯定都是達成一致了，但是等級越大包括安裝、運行維護這個成本都應該比較低。
 

　　另外還有發(fā)電機的形式，我們從永磁或者雙饋，所以在系統(tǒng)的復雜程度上面，它和電網(wǎng)還是有一定的耦合度，所以說不如永磁來的簡單。還有雙饋也是這樣，從驅(qū)動形式上來講，現(xiàn)在我們拿到的數(shù)據(jù)，我們最近也是做了一項調(diào)研，全功率永磁發(fā)電機，它的造價基本上和它的額定轉(zhuǎn)速比是成反比的，所以大功率的傳動鏈如果沒有什么問題的話，我們認為半磁區(qū)的這個形式還會占據(jù)一段時間。全功率的持續(xù)的會占比較小的一部分。
 

　　從造價方面來說永磁的肯定比雙饋的，比其它形式的要貴，但是這個我們要找到一個突破口，如果說永磁系統(tǒng)這個優(yōu)點，相對于其它系統(tǒng)的優(yōu)點在哪里。從控制上來說它的變量比較少，它比其它的要簡單，從硬件方向來說為什么要選3000V不選690V，現(xiàn)在做大功率的比較少，690V其中的問題就是用的硬件模塊比較多，就有均流的問題，還有系統(tǒng)并聯(lián)，加一點硬件和軟件的控制，這樣來說無論從硬件的數(shù)量，還是從控制的復雜程度來說，永磁的還是相對來說比較簡單，如果單從數(shù)學的概率上來算的話，它的估算點還是比較少的，如果能保證永磁全功率的變流器它停機時間比較短，雖然說我初期的成本比其它方式要高，但是如果運行一兩年就能把初期投入的成本抓回來，所以說我覺得這一點應該是把中壓全功率推向市場的一個突破口。如果要是大規(guī)模鋪開的話，整個3000V中壓部件成本也會降低，這樣就會進入一個良性的循環(huán)。
 

　　電容前位，我們認為電容是一個不可控量，或者說是一個控制目標，它相當于增加了系統(tǒng)的復雜程度，所以說我們就選了二極管前位。關(guān)于系統(tǒng)的拓撲形式我們是選擇背靠背全控的形式，對于環(huán)流系統(tǒng)并聯(lián)，我們是兩個3MW的系統(tǒng)并聯(lián)，我這里花了一半。現(xiàn)在的拓撲形式也有一些啊價格比較低廉的一種方案，就是說在不控總流，一部分是諧波的問題，在它的動態(tài)響應方面還是比全控的系統(tǒng)要慢，所以我們還是選擇了全控的。
 

　　硬件方面我認為有下面幾個點需要注意一下，關(guān)于直流母排，實際上直流母排影響后面那幾個參數(shù)的設計，我們也是在做測試的時候發(fā)現(xiàn)了一些問題。因為一開始我們是把關(guān)于直流母排的東西全部看了一遍。這個換流回路，這個大家都清楚，因為它開關(guān)是不平衡的，逆變狀態(tài)下半個軸波是一直導透的，所以它的熱是不均衡的，在設計冷板的時候要考慮這個問題，這個是一個示意圖，我們算出來的熱容量。
 

　　還有一開始我們做的時候就像做雙饋一樣，要考慮到吸收電路，我們在做測試的時候發(fā)現(xiàn)如果要是做ICD或者ID這種形式都加上去的話，如果配合不好的話可能會更惡化這個現(xiàn)象。然后還有一個就是二極管前位只能前外管不能前內(nèi)管，我們探索的時候就是加平衡電阻，加平衡電阻我們自己做試驗的時候發(fā)現(xiàn)的，如果配上平衡電阻不是很好選擇，因為有些是不可控的。所以我們平衡電阻也沒用。我們加一個吸收電路，不讓它諧振是可以做到的，所以考慮到管流的電壓應力，如果不用的話是可以接受的。
 

　　然后是軟的方面，我認為現(xiàn)在在大的控制策略方面沒有什么秘密，大家從文獻里面，或者是書上應該都可以找得到。現(xiàn)在中壓面臨的一個問題就是開關(guān)頻率比較低，這對于諧波的治理來說是比較困難的，因為低載荷的情況下可能會有載荷諧波，所以我覺得對于諧波的治理是比較重要的。在諧波治理方面我們經(jīng)過實驗檢驗的幾個方法就是說重復控制看看誰比較好一點，還有就是低Q軸同軸旋轉(zhuǎn)，但是那個不能加很多。
 

　　總得來說，我們做2MW雙饋的經(jīng)驗來講，一個可靠的系統(tǒng)，一個比較好的設計，應該是硬件和設計是能占到一個系統(tǒng)的最少60%。但是在軟件部分大的控制策略沒有什么秘密可言，就是說小的部分我們要精益求精，把它搞明白。從實際運行經(jīng)驗來講，我們平常看不上眼的那些東西，比如說一個濾波器的設計，實際上這些東西在控制過程中都是起很大的作用的，你有些隱患的話如果這兩點處理不好就會引起很大的問題。但是總的來說，硬的設計和軟的設計還是要很好的結(jié)合起來。
 

　　后面這個問題就是說我們做了一下總結(jié)和梳理，但是這四個方面是一環(huán)扣一環(huán)的，總體上來說都是由于成本的壓力產(chǎn)生了這幾個問題。標準的問題我們在做的過程中一開始是3000V的系統(tǒng)絕緣配合，因為國內(nèi)3000V在輸電側(cè)這個標準里面應該是處于一個比較尷尬的位置，絕緣配合我們最后還是參照了歐洲的機車標準來做的，就是15024，然后還有一個問題就是說可能有很多專家也都提過這個問題，就是風電變流器不可能長期處在滿發(fā)的狀態(tài)下，所以它的電流應力和電壓應力也不能一直按照額定工況來考慮，是不是有針對性的對我們這種情況做出相應的標準。然后至于關(guān)系到現(xiàn)在因為我們的裝機容量應該是世界第一，所以說我們以往的這些數(shù)據(jù)能不能拿過來比對一下，到底這個變流器一般運行在多大功率范圍之內(nèi)，這樣來做一個指導，這樣的話對我們器件的選擇應該是很有利的，在降成本這一塊還是比較有幫助。

還有系統(tǒng)的設計，比方說我們做這一套樣機的時候，開關(guān)功率的設計，從3000V的角度我們只能設6000V和10千伏的設計，但是它有獨立成柜的時候這樣就要加大成本。我們在做3.6的雙饋定的側(cè)電壓也是3000V，但是我們這邊并網(wǎng)是用在相變，我們可以通過相變的取得負變的，這邊又可以省10萬塊錢。還有發(fā)電機的繞組形式，我們一開始也通過不同的渠道打聽過這個事情，一開始說雙饋發(fā)電機可以完全按照兩臺獨立的發(fā)電機來控制，但是實際運營中發(fā)現(xiàn)不同繞組之間的互感影響還是比較大的，如果兩套繞組機功率比較大的話，轉(zhuǎn)矩脈動還是比較大的。上個月在北京開會的時候，金風的總工也講他們也遇到這個問題，就是說功率相差很大，磁場可能就不那么圓。
 

　　還有一點就是我們要從系統(tǒng)的角度降成本，就是發(fā)電機的歷史強度，還有是因為變流器，因為變流器就是那么一個電流等級的，我們在留有安全用量的情況下可能還有一部分電流用量，我們考慮把那一部分電流用量余足，這樣可以結(jié)合起來，所以說這樣是一個比較好的方案。
 

　　還有一個就是冗余和容錯控制，現(xiàn)在陽光已經(jīng)在用了。遠程維護這方面主要還是降低停機時間，保證發(fā)電量比其它的高。再就是元器件的選擇，剛才前面專家講了就是IGCT和IEGT還是比較好，但是為什么現(xiàn)在看到這個方案在下降，就是IGCT和IEGT有短路的特性，造成會把整個系統(tǒng)拖垮，會把失效展開，這個方面還有比方說壓裝這些東西，工藝的挑戰(zhàn)還是比較大的。硬件設計就是說我們利用以往的大數(shù)據(jù)把它定在一個合理的點上，并不一定一直要按買方的想法來設計。總體上就是這些，請大家指正。