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CWP2016:适应于海上风电变流器设计

日期:2016-10-21    来源:能见APP

国际风力发电网

2016
10/21
11:57
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关键词: CWP2016 风电设备 深圳禾望

10月19日-21日,2016年北京国际风能大会暨展览会在中国国际展览中心召开。20日下午,深圳市禾望电气股份有限公司董事、研发总监郑大鹏在“供应链技术创新与合作”分论坛上作了主题发言,分享的主题是,适应于海上风电变流器设计。

以下为发言全文:

郑大鹏:谢谢主持人。我今天讲的内容聚焦在海上风电的变流器。也就是叫变频器。我的内容三部分,第一个海上峰巅发电系统,第二海上风电几种变流器具体分析。第三部分禾望全系列的低压和海上风电的产品。

陆上风电3GW,在期上风电现在主流机型3.6到4GW,现在相对做了5GW,现在在研发的还有6GW和7GW,甚至也有更大功率在研究。据说15GW的也在研究。现在全世界范围内看起来海上风电已经商业化的机型最大就是西门子的D7154机型叶片长度就是A380是154米扫风直径。海上的机组很多人比我们都要青春痘要单装或者多装,这是国内比较常见,当然伏台也有行业人在研究,但是国内到现在为止没有这一类安装的先例,主要是国内单装或者多装为主。海上风电发电系统跟我们陆上非常像,在国内现在就是一个35KV到风机这是海上升压平台110或者120路上变电站并网,但是也有离岸很近,海上升压平台也省掉了。

从电能的传输方式来说,有传统的HVAC就是交流输电,当然也有高压的直流输电,轻型的输电,但是中国未来很长一段时间里面看起来的话,可能还是以传统的交流输电为主,因为它最重要的经济性问题,因为我们充电行业越来越受到了煤电的压力,现在是受到了光伏发电的压力,所以经济性是非常非常重要的事情。所以在我们看起来不管是柔值这一类,可能在很长一段时间内都不具有经济性,传统的交流输电是最有经济性,也是最有效的一种方式。因为我们在很长的一段时间里面,我们都不会走出80公里,或者100公里,单风量也不会超过300兆瓦,这是典型交流输电比较适宜的范围。

从期上风电能量收集看起来,就是单支路双支路新型还有单边环形等等多种连接方式,主要是从可靠性、容量这角度来考虑,会把风场连成不同的形式。

风力发电的现在是变速风力发电了,当然有直驱,或者是单机储能箱,电机几乎所见到的电机之外,几乎在风电领域都可以见到。像同步电机、异步电机还有双汇电机,还有电力磁的电机,在我们风电领域都可以见得到。现在国内能够见到的几种发电模式的话,这种以前华锐6兆瓦,但是这种做过样机之后,大家现在比较公认太适合海上风电的应用。现在常见是这三种,第一种就是西门子的G4的平台,就是3.6MW和4MW,它的电机是一步电机是最传统,是龙形异步电机,多极的齿轮箱,远景也在做类似的机型,现在是直驱的机型,国内有两个应用,一个是DD1153KV,5MW。西门子D7已经放弃了一步发电机的技术,已经开始转向的直驱,现在据说做到8MW,现在就是中速或者高速的直驱,这是国内的俗称,这个国内很多种。当然是为了平衡一个整机成本和发电量未达到一个平衡,所以国内常见是这三种形式。

针对这三种发电系统,当然需要不同类型的变流器或者变频器。我们现在国内游这样四种,第一种就是全功率的变频器,国内做到中高压是级联来做,第三种就是三电平的IGBT的,第四种就是IGCT。

下面有一个简单的分析,第一种是最传统的,我们把低压的490变流器直接用到海上风电上,但是因为低压变流器很难做到3MW以上,基本上电流电子变频机一个极限,所以一般就是3MW以上我们采用级联的方式,或者有的时候直接并联,还有一种方式就是用电机拆双组机这几种形式。当然国内更常见的电机拆双绕组,国内也在改造这样的风机。这就是直接把这级联用到了风电上但是级联有一个麻烦,它这直驱上只有8赫兹到12赫兹的范围,直流母线常规的5倍,大家知道级联达到5倍的时候,这体积几乎是不能接受,也就是注定了中高速的电机的控制上。但是它的好处就是它的成本明显有优势,它的劣势就是它的气件数太多了,如果它用在6MW的上的话,它的二级管的芯片就会达到2千多只,如果一只是10PPM故障率,大概一年下来就是2万个PPM,一年故障率最乐观的估计,它2万PPM的故障。

第三种高压HDP,因为国内20年来,曾经在20年前,有人尝试用IGCT,我们都转向了IGBT。IGBT当前的气件平台一般来说做单管不串不并的话也就是2.5个兆瓦,也就是意味着超过5兆瓦的两个并联,超过5MW就要3个来并联,这样的话体积成本还有功率密度可能也都是带来一些问题。而它的好处就是电缆的数量会很少非常便于安装,这也是一种主流的方向。

第四种的酒花IGCT的话,只是我们在国内早些年的时候用的不好,其实在全球范围内超过5MW以上的变频器,几乎都是IGCT的天下,也就是这几年开始有IEGT,但是IEGT的单机容量跟IGCT差得很远,一个单机就可以做到12MW,这是IGCT巨大的优势非常的简洁,这电压高、工程量也少,功率密度也高。全球来看无论是西门子早期的TMP主流做变频器都是采用IGCT大容量中压的变频器。

这个我做了简单的对比,就是这四种变频器在几个方面来做对比,因为这字比较小,我对比了几个方面,一个是成本,第二个是功率密度,第三个是功率器件的数量,因为我们在很大程度上可靠性是比较难以去评估的。但是我们经常用功率器件的数量来评估可靠性。

第四个是损耗在我们新能源非常重要。评估下来IGCT作为基值都是1,这样来看从成本上来说,以6MW为例,比它略高一点,其他用低压会略低一些,从这损耗上来说的话,级联它的效率是最高的。从功率器件数量来说,那就是差别太大了,IGCT大概一直做到7兆瓦、8兆瓦在风电上使用,也就是70个硅片。这IGCT是3,但是每一支至少有3个或者4个IGCT并联。也意味着2千功率事件在一台机器里面使用,如果低压也是一千四百多只,这样海上最关注是可靠性,这么多功率器件在同一台机器里面使用这可靠性相当的危险。

IGCT还有其他的好处,一个是过流能力非常的强,功率密度也是最高的,非常适合我们在海上风电来安装它。从所有电器部分都加在了一起,包括箱电、电机、电缆、变流器大件加在一起来看的话,我是以IGBT来作为基准,IGCT跟IGBT两个基本上做中压的话基本上持平,但是如果用690的两电瓶来做的话,这种低压会便宜10%,如果用3千伏的更便宜一点,从成本上来说的确有一点优势。差别不是很大,大概是电器部分,大约是总价会差100万。但是对于一台海上风电的风机来说,这一百万可能只是百分之一点几。所以在我们的观点上看起来,从可靠性、可用性、可维护性,和系统成本,综合效率等等,各方面综合考虑的话,IGCT是国际主流,同时也是一个比较优的方案。

下面简单介绍一下禾望电器的海上风电的低压和中压的两个系列的产品。低压上看的话,禾望有4MW、5MW、6MW三个机型有并联型,这三个机器型2兆、3兆并联实现,这都有十几的现场应用。单机型有4MW的单机。我们还是追求单机的密度更大,中压是3千伏的。这是禾望低压的机型,上面也提到了做便压器的双绕阻这样来实现,它的好处就是产品成熟度高,我们也看到国内的整机场比较倾向于这种方案,不管是电机还是整个的电机系统还是变流器都是相当成熟的。国内都已经用了差不多10年,同时可以支持两台变流器独立运行,还可以保有发电量的一半。两台也可以根据塔筒分一层也可以分两层,而且可以把水冷的装置跟变流器合成一体,可以分一层来布置,也可以分两层这样来布置。

这是4MW行业里面功率密度最高的,这宽度只有2.7,深度是1.3这样可以非常容易放在4MW的塔筒里面去。下面是中压的机型这在展会上搬过来了,它的宽度一直到8MW只有3.3的宽度,这可能也是行业里面功率密度最高的一个产品。它是用IGCT和二极管的压成模阻做成系统,是内循环的系统,也可以根据要求做更高的IP65防护设计寿命是25年这样寿命设计的。因为IGCT一个很重要的特点就是寿命长,而不存在IGCT绑定线还有粘接还有陶瓷材料寿命的问题,整个可以做到C4防盐雾的等级。这是打开门的图,1米宽的机侧还有1米宽的网的环节,上面是(英文)左右两边是完全对称,有滤膜器,政复电容网侧的滤波器以及网侧开关。

在这产品里面我们考虑了冗余的设计,因为海上风电里面,大家最担心的就是一个可靠性的问题,所以我们所有的辅助电源就类似像我们人的冠状动脉的血循环一样它是提供控制部门供电的,所有的都是冗余备份,并且使用是双份互为备份的水冷系统,每隔十天会进行一次自动切换。控制器也可选择在线冗余,也就是这产品可以同时具备两个大脑,它的切换时间可以一个微秒可以进行切换,机器完全不停机,我们从外部特性上完全感知不到这控制器的切换。离子剂长寿命设计三到五年无需更换。这是实际的测试数据,这是春天的跟行使实验。一个是并网的电能质量,这个电能只有1.8%的斜坡,远远比我们国内包括自己的低压产品好很多,这是我们69伏变流器的效率曲线,如果用加全效率的话,我们140加全值最高,从变流器自身来说。另外从0.8%电缆上的效率提升,从电机还有0.5%电机的效率提升,所以整个加起来大概是3%的效率提升。也就是说对于6MW来说每年可以多发72万度电,对一台风机来说是非常非常客观的,意味着可以折合成每年的发电收益增加50万人民币的样子。

功率部分IGCT达到20倍的过载,而IGCT晶达管的平台上衍生过来可以10个毫秒,就不止两个数量级,更高的过载能力。IGCT模块化的设计,很多人担心模块过大不太容易更换,我们专门提供每台机器必备的一个杆带这样一个装随机来供货,通过滑轨吊装很容易更换它。其他的性能就是低穿、高穿、耐受电网的8%,弱电网稳定工作这跟其他的电网是类似,适应的发电机不管是同步机或者是一步电机都可以去适配,可以做电动运行来满足现场调试的这一些需求,而且响应是非常快的,禾望还提供非常强大的后台监控,这样确保我们海上风电机组的可靠运行。我的内容就到这儿谢谢。

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