东方电气王昌垒：海上大功率风电变流器技术应用
东方风力发电网 2020年10月15日 493
2020年10月14日-16日，2020北京国际风能大会暨展览会（CWP 2020）在北京新国展隆重召开。作为全球风电行业年度最大的盛会之一，这场由百余名演讲嘉宾和数千名国内外参会代表共同参与的风能盛会，再次登陆北京，本届大会以“引领绿色复苏，构筑更好未来”为主题，聚焦中国能源革命的未来。能见App全程直播本次大会。 在15日上午召开的海上风电工程装备分论坛上，东方电气风电有限公司设计工程师王昌垒发表《 海上大功率风电变流器技术应用》主题演讲。 
以下为发言实录： 王昌垒：大家好我叫王昌垒，我来自东方电气电气自动控制工程有限公司，今天我给大家分享题目是“海上大功率风电变流器技术应用”，今天我主要分下面四个内容跟大家进行分享。 首先看一下第一个内容海上变流器概述，下面这幅图展示1980年到未来风电技术单机容量趋势图，从这个趋势图可以看出大功率技术将成为未来发展方向。实际上到2020年全球海上并网发电是14MV，是今年东方7月12日在福建10MV技术，大功率技术将成为以后海上技术的必然方向，预测2025年海上平均单机容量达到10—12MV。 接下来简单看一下海上机组几种技术方案，主要有以下四种方案，第一多机齿轮箱加双馈一步发动机加变流器，应用早期海上机组，目前主机厂应用后面三种方案，东方只有早期5MV运用第四种方案，多级齿轮箱这种方案的技术方案结构比较简单没有齿轮箱和炭刷，有利于海上长期有效运行，全功率运行，故障率比较低，今天我主要给大家讲一下海上全功率变流器应用的技术。 海上全功率变流器目前主要有以下三种的方案，低压690V两电平IGBT，这种方案技术化比较成熟，这种方案单轨一般不会超过3MV，大功率海上机组进行3—5台进行并连。这种变流器和变压器一般放在机舱里面不便于变流器的维护。第二1140V三电平IGBT，这是近几年形成的方案，电量比较小，斜坡电流比较小，效率比较高，较大功率变流器放在塔筒一层或者二层，维护起来比较方便。第三中压3300V三电平IGCT方案，电压等级比较高，电流比较小，易于施工，IGCT可以耐大电流的器件功率密度可以做比较高，这种方案大功率的机组电平器放在一层至二层平台，东方目前机组在7兆瓦以上，东方机组开发了两款海上变流器。 下面这个图对三种方案简单的对比，我们可以看到功率、密度、效率、器件数量、可靠性、安装位置3300V比较占优势，低单品690比较占优势，IGCT水准系统比较复杂，综合成本系统和可靠性5MV以下建议选择690，8MV以下建议1140，8MV以上建议选择3300V的方案，目前我们海上技术7MV以上，所以我们这边有两款变流器。 先来看一下第一款变流器就是10MV海上变流器，这款变流器与AVB进行联合开发，这款变流器是3300唯的电网电压，有2台6MV的柜体组成，每个柜体都有单独的控制器，内部通过光纤进行通信，控制器和主控制单元通过光纤进行通信，保证了高可靠性。顶上是一个电阻，很多都是通用的，其中网侧和机侧固定单元是一样的，网侧和机侧进线单元也是完全一样的，整个柜体采用IGCT功率器件，设计寿命25年，柜体可达到C4等级，主回路采用没有熔芯的设计，我们不会因为损坏熔芯更换器件，变流器可利用率高，网侧和机侧采用特定优化脉冲算法，网侧采用特定值消协的算法，网侧和技侧选择比较小，整个变流器效率高、损耗小，这台变流器额定工矿情况下效率达到98.4%，这款变流器7月12日在海上成功并网发电并且稳定运行到现在。 接下来着重讲一下变流器比较突出的特点，第一软启功能双冗余，利用辅变400V和电机军能实现软启充电。运动辅助回路没有用电机进行充电，像软启充电一个功能失效一个变流器自动切换另外一个功能，所以变流器功能更高。 第二Chopper缓刹车功能，在电网电压没有电的情况，依然可以对机组进行缓刹车，避免机组出现重大超速或事故，对机组安全是保证，并且功能现场测试过转速平稳下降，机组没有任何振动。这个图是现场实际测试效果图，上面蓝色部分是转距给定，红色是变流器回馈的转速，6000电左右主控机紧急停机，主控给0，变流器依然发出自动的转距。下面是变流器的转速，停机转速得到平稳的下降，在主控停机的点转速没有出现抬升的情况。 第三这台变流器具有孤岛形式，在电网电压没有电的情况，变流器能够提供稳定的辅助电源。这个图是孤岛模式的示意图，当电网电压没有电的情况下，先是由UPS或者柴油发电机提供辅助电源，主控通过电巷控制转速，机侧进行转流，网侧控制电网电压，保持电网电压的恒定，当电网电压恒定以后主控自动切出柴油发电机的电源，闭合这个开关由变流器提供稳定电源，通过辅助回路负载不同不断调节网侧发波保持电网电压恒定，我们这个功能也是今年7月30日一次性完成了海上小孤岛测试，东方目前也是国内首家完成海上孤岛测试的整机厂。 目前国内大部分变流器据我们了解不太具备以上几个功能，我相信未来尤其是孤岛模式将是海上大功率变流器的标准配置功能。 再来简单说一下变流器网侧控制性特点，满足电科院最新低电压、高电压穿越标准，能够快速响应无功需求，吸收或发出无功支持电网，弱电网情况下变流器也能稳定运行。 这台变流器机侧控制性能特点，能够匹配低速、中速、高速电机和永磁电机、异步电机，四象限运行满足场内和风机各种测试需求，阻尼算法可以有效抑制机组振动和噪音，下面这幅图是阻尼算法的示意图，左侧是没有加入阻尼算法，红色部分出现转速波动，右边启动阻尼算法加入了反向阻尼波动，效果可以让转速能够得到平稳，机组能够平稳的运行。 目前也对现在海上10MV降本优化设计，明年将应用东方批量项目中，我们相信这款变流器能够成为东方以后一款高可靠性必须有竞争力的产品。 另外我讲一下7MW海上变流器，这款变流器采用1140的方案，这款变流器也是有两台4MW变流器并列而成，与10MW不同是两台4MW变流器是完全的。这是单台4MW柜体图，采用IGBT并联控制方案成熟，价格低。双柜并联，能够实现两台同时运行，一台故障另外一台继续运行，三电平方案谐波小，效率高，这台变流器满足了场内和整机厂所有测试，下一步进行并电网测试。 今年7月份刚刚在东方厂内车间测试的效果情况，这是福建整车车间测试现场图，我们测试平台是一个电机拖器平台，两个联轴器进行互联，经过几天的测试我觉得变流器具有以下几个比较好的特点。 第一功能丰富，变流器具有拖动和发电功能，拖动可以超速到1.2倍额定转速，一次性完成单双双绕组测试，测试时电机总功率达到7.5MW。 过载能力强，测试时电机功率最高达到8.5MW运行半小时。 电能质量好，弱点网情况下，变流器启动前后电网电压一致70%，以上电网电流谐波均小于5%，有利于电网稳定。 机侧DUDT小，在各个功率相对地DUDI均小于206V/us，相间均小于153/us（图），我们相信这台变流器能满足高稳定运行。 这台变流器满足最高低穿标准，具备零电压穿越能力。 最后说一下公司后续的规划，我们公司一直致力于海上大功率机组研制项目，7MW、10MW不同功率等级，1140、3300不同点等级的风机机组主控及变流器控制系统，通过智能风电控制系统将风机三大子系统有机的结合在一起，为客户提供优质的服务。 （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）
以下为发言实录： 王昌垒：大家好我叫王昌垒，我来自东方电气电气自动控制工程有限公司，今天我给大家分享题目是“海上大功率风电变流器技术应用”，今天我主要分下面四个内容跟大家进行分享。 首先看一下第一个内容海上变流器概述，下面这幅图展示1980年到未来风电技术单机容量趋势图，从这个趋势图可以看出大功率技术将成为未来发展方向。实际上到2020年全球海上并网发电是14MV，是今年东方7月12日在福建10MV技术，大功率技术将成为以后海上技术的必然方向，预测2025年海上平均单机容量达到10—12MV。 接下来简单看一下海上机组几种技术方案，主要有以下四种方案，第一多机齿轮箱加双馈一步发动机加变流器，应用早期海上机组，目前主机厂应用后面三种方案，东方只有早期5MV运用第四种方案，多级齿轮箱这种方案的技术方案结构比较简单没有齿轮箱和炭刷，有利于海上长期有效运行，全功率运行，故障率比较低，今天我主要给大家讲一下海上全功率变流器应用的技术。 海上全功率变流器目前主要有以下三种的方案，低压690V两电平IGBT，这种方案技术化比较成熟，这种方案单轨一般不会超过3MV，大功率海上机组进行3—5台进行并连。这种变流器和变压器一般放在机舱里面不便于变流器的维护。第二1140V三电平IGBT，这是近几年形成的方案，电量比较小，斜坡电流比较小，效率比较高，较大功率变流器放在塔筒一层或者二层，维护起来比较方便。第三中压3300V三电平IGCT方案，电压等级比较高，电流比较小，易于施工，IGCT可以耐大电流的器件功率密度可以做比较高，这种方案大功率的机组电平器放在一层至二层平台，东方目前机组在7兆瓦以上，东方机组开发了两款海上变流器。 下面这个图对三种方案简单的对比，我们可以看到功率、密度、效率、器件数量、可靠性、安装位置3300V比较占优势，低单品690比较占优势，IGCT水准系统比较复杂，综合成本系统和可靠性5MV以下建议选择690，8MV以下建议1140，8MV以上建议选择3300V的方案，目前我们海上技术7MV以上，所以我们这边有两款变流器。 先来看一下第一款变流器就是10MV海上变流器，这款变流器与AVB进行联合开发，这款变流器是3300唯的电网电压，有2台6MV的柜体组成，每个柜体都有单独的控制器，内部通过光纤进行通信，控制器和主控制单元通过光纤进行通信，保证了高可靠性。顶上是一个电阻，很多都是通用的，其中网侧和机侧固定单元是一样的，网侧和机侧进线单元也是完全一样的，整个柜体采用IGCT功率器件，设计寿命25年，柜体可达到C4等级，主回路采用没有熔芯的设计，我们不会因为损坏熔芯更换器件，变流器可利用率高，网侧和机侧采用特定优化脉冲算法，网侧采用特定值消协的算法，网侧和技侧选择比较小，整个变流器效率高、损耗小，这台变流器额定工矿情况下效率达到98.4%，这款变流器7月12日在海上成功并网发电并且稳定运行到现在。 接下来着重讲一下变流器比较突出的特点，第一软启功能双冗余，利用辅变400V和电机军能实现软启充电。运动辅助回路没有用电机进行充电，像软启充电一个功能失效一个变流器自动切换另外一个功能，所以变流器功能更高。 第二Chopper缓刹车功能，在电网电压没有电的情况，依然可以对机组进行缓刹车，避免机组出现重大超速或事故，对机组安全是保证，并且功能现场测试过转速平稳下降，机组没有任何振动。这个图是现场实际测试效果图，上面蓝色部分是转距给定，红色是变流器回馈的转速，6000电左右主控机紧急停机，主控给0，变流器依然发出自动的转距。下面是变流器的转速，停机转速得到平稳的下降，在主控停机的点转速没有出现抬升的情况。 第三这台变流器具有孤岛形式，在电网电压没有电的情况，变流器能够提供稳定的辅助电源。这个图是孤岛模式的示意图，当电网电压没有电的情况下，先是由UPS或者柴油发电机提供辅助电源，主控通过电巷控制转速，机侧进行转流，网侧控制电网电压，保持电网电压的恒定，当电网电压恒定以后主控自动切出柴油发电机的电源，闭合这个开关由变流器提供稳定电源，通过辅助回路负载不同不断调节网侧发波保持电网电压恒定，我们这个功能也是今年7月30日一次性完成了海上小孤岛测试，东方目前也是国内首家完成海上孤岛测试的整机厂。 目前国内大部分变流器据我们了解不太具备以上几个功能，我相信未来尤其是孤岛模式将是海上大功率变流器的标准配置功能。 再来简单说一下变流器网侧控制性特点，满足电科院最新低电压、高电压穿越标准，能够快速响应无功需求，吸收或发出无功支持电网，弱电网情况下变流器也能稳定运行。 这台变流器机侧控制性能特点，能够匹配低速、中速、高速电机和永磁电机、异步电机，四象限运行满足场内和风机各种测试需求，阻尼算法可以有效抑制机组振动和噪音，下面这幅图是阻尼算法的示意图，左侧是没有加入阻尼算法，红色部分出现转速波动，右边启动阻尼算法加入了反向阻尼波动，效果可以让转速能够得到平稳，机组能够平稳的运行。 目前也对现在海上10MV降本优化设计，明年将应用东方批量项目中，我们相信这款变流器能够成为东方以后一款高可靠性必须有竞争力的产品。 另外我讲一下7MW海上变流器，这款变流器采用1140的方案，这款变流器也是有两台4MW变流器并列而成，与10MW不同是两台4MW变流器是完全的。这是单台4MW柜体图，采用IGBT并联控制方案成熟，价格低。双柜并联，能够实现两台同时运行，一台故障另外一台继续运行，三电平方案谐波小，效率高，这台变流器满足了场内和整机厂所有测试，下一步进行并电网测试。 今年7月份刚刚在东方厂内车间测试的效果情况，这是福建整车车间测试现场图，我们测试平台是一个电机拖器平台，两个联轴器进行互联，经过几天的测试我觉得变流器具有以下几个比较好的特点。 第一功能丰富，变流器具有拖动和发电功能，拖动可以超速到1.2倍额定转速，一次性完成单双双绕组测试，测试时电机总功率达到7.5MW。 过载能力强，测试时电机功率最高达到8.5MW运行半小时。 电能质量好，弱点网情况下，变流器启动前后电网电压一致70%，以上电网电流谐波均小于5%，有利于电网稳定。 机侧DUDT小，在各个功率相对地DUDI均小于206V/us，相间均小于153/us（图），我们相信这台变流器能满足高稳定运行。 这台变流器满足最高低穿标准，具备零电压穿越能力。 最后说一下公司后续的规划，我们公司一直致力于海上大功率机组研制项目，7MW、10MW不同功率等级，1140、3300不同点等级的风机机组主控及变流器控制系统，通过智能风电控制系统将风机三大子系统有机的结合在一起，为客户提供优质的服务。 （根据演讲速记整理，未经演讲人审核）