CWPE2019：禾望電氣王武華：大功率海上風(fēng)電電氣裝備關(guān)鍵技術(shù)

 

　　以下為演講實(shí)錄：

 

　　非常榮幸有這個(gè)機(jī)會(huì)和各位嘉賓和領(lǐng)導(dǎo)共同分享大功率海上風(fēng)電電器裝備關(guān)鍵技術(shù)。今天我花一分鐘的時(shí)間對(duì)我們的禾望電氣做介紹，再進(jìn)行海上風(fēng)電變流器和遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)以及無(wú)功補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)交流。

 

　　禾望電氣是總部位于深圳市的高新技術(shù)企業(yè)，我們主要從事新能源電控和傳動(dòng)產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷(xiāo)售和服務(wù)，現(xiàn)在大概有1011人，有651人是非生產(chǎn)人員，大概有51%是屬于研發(fā)團(tuán)隊(duì)?？偛吭谏钲?，大概有2萬(wàn)平的研發(fā)（面積），生產(chǎn)是在寶安、松崗還有蘇州、東莞、鹽城，總共有10萬(wàn)平的面積。目前我們有3條完整的產(chǎn)品線：風(fēng)電產(chǎn)品線、光伏產(chǎn)品線和傳動(dòng)產(chǎn)品線，基本上每一塊業(yè)務(wù)都可以生產(chǎn)相關(guān)行業(yè)的全部電器設(shè)備。

 

　　關(guān)于海上風(fēng)電變流器，目前有三個(gè)方向：一個(gè)是3300V三電平海上風(fēng)電，一個(gè)是1140V三電平海上風(fēng)電，第三個(gè)是690V三電平海上風(fēng)電。

 

　　傳統(tǒng)的大功率海上風(fēng)電都是把變流器安裝在塔筒下，這樣有一個(gè)扭纜的問(wèn)題比較難解決?；驹?兆瓦的時(shí)候我們的電流在6000A，也就是當(dāng)前接受的最大電流，當(dāng)功率大于6MW-8MW的時(shí)候基本上不能把這個(gè)電流器安裝在塔筒下面。這樣有三個(gè)解決方案：第一個(gè)是把電壓提升在3300V，然后把3300V的電壓送到塔筒下面；第二個(gè)是1140V的方案，同樣和3300V是一樣，但是它可擴(kuò)升的容量相比3300要小一些；第三個(gè)是傳統(tǒng)的690V的系統(tǒng)電壓，把箱變、變流器放在機(jī)艙上，通過(guò)35千瓦的電纜把電流輸送到塔筒下面。

 

　　傳統(tǒng)的功率器件有低壓的IGBT，高壓的IGBT還有IGCT、GTO。在這里面IGCT是值得關(guān)注的器件，它是1997年ABB在GTO的基礎(chǔ)上推出來(lái)的，導(dǎo)通損耗、開(kāi)關(guān)速度快。但是IGCT也有一個(gè)問(wèn)題就是電流的器件，這也是阻礙IGCT在國(guó)內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的限制。

 

　　關(guān)于IGCT的常用拓?fù)渲饕羞@四種。第一種是供應(yīng)緩沖電桿還有公用緩沖電路，但是這種拓?fù)鋼Q流路徑非常復(fù)雜，需要設(shè)置相間的錯(cuò)插，這個(gè)是最早ABB使用的方案，但是基本上ABB放棄這個(gè)方案。第二個(gè)是方案是供應(yīng)緩沖電桿，這種方案比第一種方案高一些，現(xiàn)在ABB大量使用的是第二個(gè)方案，代表性產(chǎn)品是PSC和ACS電流線，也是在大規(guī)模風(fēng)電上應(yīng)用的拓?fù)?；第三個(gè)是拓?fù)涫且晕鏖T(mén)子為代表的，西門(mén)子有這個(gè)代表產(chǎn)品ML2和MS10，這個(gè)方案的可靠性是最高的；第四個(gè)方案是以前ABB的專利，是前位二級(jí)管并聯(lián)前位的IGCT，進(jìn)一步提升單機(jī)的容量，提升IGCT的利用率。

 

　　IGCT是供壓變流器的核心器件，約占總成本的50%，怎么提高IGCT的利用率是降低成本的有效措施。提升IGCT利用率方面，可以在ICGT旁邊并聯(lián)RCD吸收電路，這樣我們可以大幅度降低IGCT的關(guān)斷損耗，但是開(kāi)通損耗略有提升。這種方案可以使IGCT的利用率提升27%，但是變流器的整體效率略有下降。下面是我們的一個(gè)仿真計(jì)算的結(jié)果，就是在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中大家可以看到IGCT的開(kāi)通損耗略有上升，但是在關(guān)斷損耗會(huì)大幅度下降，這樣整體的IGCT的損耗會(huì)大幅度下降，我們可以把IGCT變流器單機(jī)容量做很大的提升。

 

　　現(xiàn)在常用的IGCT第一個(gè)拓?fù)涫莻鹘y(tǒng)的三電平拓?fù)?，傳?dòng)到10MVA，風(fēng)電可以到5MW和7MW。第二個(gè)我們研究的方案是NPC+RCD拓?fù)?，在風(fēng)電領(lǐng)域可以達(dá)到單機(jī)8-10MW，傳動(dòng)可以到14MVA；第三個(gè)是ANPC的拓?fù)?，它?huì)把T1和TC管的開(kāi)關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到T2管上，同時(shí)把T2管上的導(dǎo)通損耗轉(zhuǎn)移到T5和T6管上，這樣容量可以大幅度提升，傳動(dòng)可以到14MVA，風(fēng)電可以達(dá)到8-10MW。同時(shí)采用高強(qiáng)度的鋁框架結(jié)構(gòu)可以把模塊里面的整體重量下降，國(guó)外的模塊單模塊重量在350公斤，現(xiàn)在我們做的這個(gè)模塊的重量達(dá)到200公斤，而且體積非常小，相比國(guó)外的維護(hù)也非常簡(jiǎn)單，基本上可以實(shí)現(xiàn)20分鐘的維護(hù)。

 

　　這樣單機(jī)的5、6、7、8、10MW可以統(tǒng)一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，選用不同的器件可以功率放維，輕松安放在5800內(nèi)徑的塔筒里面?，F(xiàn)在我們這種單機(jī)10兆瓦的大功率的海上風(fēng)電的方案基本上可以低壓在系統(tǒng)方案上，系統(tǒng)成本上做到持平，基本上8MW和10MW的大批量應(yīng)用的條件，但是8MW和10MW的性能會(huì)獲得大幅度的提升，比如可靠性非常高，成本會(huì)非常低?？煽啃苑浅８呤切阅芨鼉?yōu)。

 

　　下一個(gè)方案是1140V的方案。大家知道傳統(tǒng)的690變流器放在塔筒上面，基本上它的容量達(dá)到7MW，已經(jīng)達(dá)到極限了，再往上基本上解決不了扭纜的問(wèn)題。1140的方案基本上可以實(shí)現(xiàn)大功率海上風(fēng)電8-12MW變流器安裝在塔筒上面，可以解決扭纜的問(wèn)題。第二個(gè)使用傳統(tǒng)的低壓IGBT器件，構(gòu)建IGBT的三電平模塊，再用三電平模塊構(gòu)建IGBT的三電平振極。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是解決扭纜多的問(wèn)題，同時(shí)這個(gè)器件承受度非常高，成本和低壓的IGBT基本上差不多，略有提升，同時(shí)業(yè)主和集成商接受度是非常高的。使用這個(gè)方案就可以把我們的電機(jī)還有我們的齒輪箱放在塔筒上面，用1800V的電纜放在塔筒下面，再送到電網(wǎng)。

 

　　關(guān)注1140V的變流器，行業(yè)有一個(gè)顧慮，1140到底是不是中壓系統(tǒng)？我查過(guò)IEC和國(guó)標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，IEC的61800和60646和國(guó)標(biāo)的516，基本上定義的這個(gè)就是UN大于1000V是屬于中壓系統(tǒng)，但是UN大于1000V是這樣的，UN的定義是這樣的，低于TN系統(tǒng)的話，UN是相變壓，就是1140V它的相變壓是650V，就是沒(méi)有達(dá)到中壓系統(tǒng)的，但是1140V用在用在IT系統(tǒng)下的1140V應(yīng)該是屬于中壓系統(tǒng)的。目前國(guó)內(nèi)使用1140V的系統(tǒng)基本上屬于TN系統(tǒng)，所以是可以劃到低壓系統(tǒng)中的。

 

　　對(duì)于傳統(tǒng)的690V的變流器，如果用在超大功率海上風(fēng)電的話器件數(shù)量會(huì)不會(huì)大幅度提升？怎么提升系統(tǒng)的可靠性呢？使用無(wú)擾切換技術(shù)在單機(jī)故障時(shí)，另外一臺(tái)機(jī)器正常運(yùn)行，可以大幅度降低變流器運(yùn)行的故障率，提升可靠性，同時(shí)假如采用這種無(wú)擾切換的技術(shù)可以提升變流器運(yùn)行的效率。在并流方面要求非常良好的通訊功能，保證通訊的及時(shí)性和可靠性，我們可以做到1+1等于2。

 

　　這是并聯(lián)的無(wú)擾切換技術(shù)。風(fēng)電變流器最高效率點(diǎn)一般在50-70%的負(fù)載之間，假如我們?cè)谛」β实臅r(shí)候停掉一部分的變流器，只要小部分的變流器運(yùn)行50-70%負(fù)載的時(shí)候，那我們就可以提升整體的變流器的運(yùn)行效率。右側(cè)的柱狀圖可以看到藍(lán)色是常規(guī)的變流器的效率，它在10%特別是小功率的時(shí)候，效率是比較低的；但是如果使用無(wú)擾切換把多流的變流器切除掉，保證系統(tǒng)運(yùn)行在最高效率點(diǎn)，紅色是無(wú)擾切換效率圖，可以看到低功率段的效率獲得大幅度的提升。下面是無(wú)擾切換的一個(gè)線性圖，藍(lán)色部分是兩種方案對(duì)比的效率提升。

 

　　海上風(fēng)電和陸上風(fēng)電的最大區(qū)別是它的高濕、高鹽。假如我們沒(méi)有使用高濕高鹽霧的處理，結(jié)構(gòu)性的器件基本上有一些鹽霧的腐蝕，達(dá)到不能使用的地步。

 

　　針對(duì)海上的高濕高鹽霧我們認(rèn)為要做到下面幾點(diǎn)：首先制定嚴(yán)格的開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，鹽霧試驗(yàn)方面高于行業(yè)要求的試驗(yàn)，做到多循環(huán)的試驗(yàn)；經(jīng)驗(yàn)積累也是非常重要的，針對(duì)海上風(fēng)電要求有非常有經(jīng)驗(yàn)的加熱除濕的方案，保證內(nèi)部的變流器的溫度持續(xù)高過(guò)外部的溫度，才能抵抗外部的鹽霧侵蝕；在防護(hù)等級(jí)方面海上風(fēng)電都要做到IP54的發(fā)電；噴涂材料通過(guò)C4、C5等各種噴涂；材料方面根據(jù)不同的部位選擇304、316噴附鋁鋅板；包裝塑封抽真空包裝，減少運(yùn)輸和儲(chǔ)存環(huán)境的影響。

 

　　大家知道變流器的壽命，我們研究這種載波移相的技術(shù)和不同的發(fā)波方式對(duì)母線紋波的影響，我們發(fā)現(xiàn)不同的載波移相和不同的發(fā)波方式會(huì)對(duì)母線紋波的有比較大的影響，我們選擇比較好的移相方式和發(fā)波方式降低母線紋波的電流，提升母線電流的使用壽命。

 

　　海上風(fēng)電的運(yùn)維受到多重的挑戰(zhàn)，比如氣候影響、距離影響、交通工具的影響、故障定位和施工難度、備品備件。海上風(fēng)電的運(yùn)維首先必須對(duì)海上風(fēng)電的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，運(yùn)用信號(hào)故障運(yùn)行對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行監(jiān)控；同時(shí)對(duì)這樣易損部件定期進(jìn)行故障檢測(cè)和更換，假如發(fā)生故障以后要快速定位故障的原因，故障的部件快速維護(hù)、恢復(fù)運(yùn)行。

 

　　變流器的大數(shù)據(jù)是非常好用的，變流器的大數(shù)據(jù)是包含電器齒輪箱、電網(wǎng)、變壓器的所有數(shù)據(jù)，而且數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性非常高，種類非常豐富，分辨率也非常高。變流器的數(shù)據(jù)分辨率可以達(dá)到4K赫茲，使用變流器的大數(shù)據(jù)，同時(shí)結(jié)合軟硬件的組網(wǎng)，結(jié)合變流器廠家的專業(yè)技能可以做到遠(yuǎn)程智能運(yùn)維。

 

　　所謂遠(yuǎn)程智能運(yùn)維我們覺(jué)得應(yīng)該做到下面幾點(diǎn)：運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能故障診斷、遠(yuǎn)程運(yùn)維協(xié)同，所謂遠(yuǎn)程運(yùn)維協(xié)同就是現(xiàn)場(chǎng)的人員和專家進(jìn)行協(xié)同工作，第四個(gè)是生產(chǎn)管理功能，通過(guò)這樣的軟件智能運(yùn)維系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、快速的定位故障、預(yù)知提前檢修、縮短維修周期、降低人工成本，我們認(rèn)為基于變流器大數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程智能運(yùn)維系統(tǒng)是未來(lái)海上風(fēng)電運(yùn)維的重要幫手。產(chǎn)品體系軟件系統(tǒng)包括單機(jī)的Hopeinsight、hopeview等整體的系統(tǒng)工具。

 

　　使用這種智能運(yùn)維系統(tǒng)，我們可以看到全國(guó)所有風(fēng)場(chǎng)的運(yùn)行概況，每一個(gè)風(fēng)場(chǎng)可以看到每一臺(tái)風(fēng)機(jī)的運(yùn)行概況，也可以看到所有的風(fēng)機(jī)的風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行的電網(wǎng)電壓所有的系統(tǒng)概況。進(jìn)入每一臺(tái)風(fēng)機(jī)可以看到這一臺(tái)風(fēng)機(jī)的所有運(yùn)行情況，而在單機(jī)的里面，我們可以看到這是一個(gè)故障錄播的功能，就是把故障前一段時(shí)間和故障后的一段時(shí)間的所有數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，針對(duì)故障分析、故障診斷有非常大的幫助，這個(gè)數(shù)據(jù)的分辨率可以達(dá)到4k赫茲，這是遠(yuǎn)高于之前的Scada數(shù)據(jù)的分辨率。同時(shí)手機(jī)端也有一個(gè)終端，在手機(jī)端進(jìn)行監(jiān)控故障診斷并且維護(hù)。

 

　　我們現(xiàn)在海上風(fēng)電基本上是高壓交流出電，假如我們使用220千伏一千平的海纜的話，輸送距離在100千米的時(shí)候輸送，80%的是輸送有功的，到120千米的時(shí)候輸送有功和輸送無(wú)功的能力基本上相當(dāng)，大于120千米以后，它輸送有功的能力快速衰減，基本上上面全是無(wú)功了。也就是海纜的強(qiáng)容性對(duì)無(wú)功補(bǔ)償提出更高的要求，但是未來(lái)提出高壓直流，會(huì)解決無(wú)功補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

 

　　針對(duì)海上風(fēng)電的無(wú)功補(bǔ)償有兩種方案：第一種是SVC，是靜態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置，由電容和和電抗器組成，成本低，無(wú)功補(bǔ)償容量大，但是不能響應(yīng)新能源的無(wú)功條件高動(dòng)態(tài)的響應(yīng)；但是SVG可以滿足這個(gè)需求，SVG就是靜態(tài)無(wú)功發(fā)生器，由電抗器、濾波器、三相半導(dǎo)體橋和直流電組成，優(yōu)點(diǎn)就是響應(yīng)速度快等等。

 

　　SVG采用這種集聯(lián)的拓?fù)浞桨?，把很多的功率模塊集聯(lián)進(jìn)來(lái)，集聯(lián)模塊根據(jù)連接電網(wǎng)的方式和電網(wǎng)的電壓可以分為10千伏直掛式的SVG，350KV的直掛式SVG，和35千伏降壓式SVG。這是SVG的單相等效電路，當(dāng)電網(wǎng)電壓低于額定電壓的時(shí)候，SVG向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)性無(wú)功支撐電網(wǎng)電壓，當(dāng)電網(wǎng)電壓低于額定電壓的話發(fā)出感性無(wú)功降低電網(wǎng)電壓，通過(guò)SVG支撐電網(wǎng)的電壓，它一般是使用載波移相的控制方式，假設(shè)有N個(gè)模塊集聯(lián)的話我們就有N個(gè)載波，N個(gè)載波的載波移相就是N分之180度，這樣的話輸出的變頻數(shù)量就是2N+1，輸出的諧波電壓和諧波電流非常小，這樣就可以實(shí)現(xiàn)我們對(duì)高送諧波的補(bǔ)償。

 

　　傳統(tǒng)意義的SVG是用來(lái)補(bǔ)充電網(wǎng)的無(wú)功，用來(lái)降低罰款的，但是風(fēng)電的SVG功能和傳統(tǒng)的SVG的功能有很大的差別。風(fēng)電的SVG是提供電網(wǎng)的無(wú)功支撐穩(wěn)定電網(wǎng)的運(yùn)行，所以我們現(xiàn)在要求風(fēng)電使用的SVG要有高電壓穿越、低電壓穿越、諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，就是電網(wǎng)電壓高于額定電壓時(shí)發(fā)出感性無(wú)功把電網(wǎng)電壓降低，當(dāng)電網(wǎng)電壓低于額定電壓的時(shí)候進(jìn)行低穿把電網(wǎng)電壓提升上來(lái)，同時(shí)當(dāng)電網(wǎng)電壓產(chǎn)生比較多的諧波的時(shí)候通過(guò)諧坡技術(shù)把電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償回來(lái)。還有發(fā)生單向短路和兩向短路的時(shí)候進(jìn)行校正把電網(wǎng)拉到平衡的電壓。

 

　　這是兩個(gè)SVG的典型應(yīng)用，一個(gè)是內(nèi)蒙古的通遼市高力風(fēng)電場(chǎng)，第二個(gè)是青島光伏電站的解決方案，這是一個(gè)超高原的應(yīng)用，解決電網(wǎng)的功率波動(dòng)、高次諧波和功率波動(dòng)的問(wèn)題。

 

　　感謝各位專家的聆聽(tīng)。

 

　?。▋?nèi)容來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)速記，未經(jīng)本人審核）