2016年11月3日，在“2016中國(guó)風(fēng)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(fēng)電變流器的實(shí)踐與思考的相關(guān)報(bào)告。

上海電氣電力電子有限公司張魯華 博士

各位專(zhuān)家下午好，我們公司是從2001年開(kāi)始做中壓三電平全功率風(fēng)電變流器的，前面做了一套樣板機(jī)，到中間由于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)沒(méi)有打開(kāi)，所以說(shuō)中間停了一下，現(xiàn)在回頭去看我們做這個(gè)事情的歷程，有一點(diǎn)收獲和一些想法，在這里和大家分享一下。我說(shuō)的東西可能不如前面的專(zhuān)家介紹的那么量化和細(xì)致，我從一個(gè)感性和綜合的角度來(lái)和大家分享一下，如果有不對(duì)的地方請(qǐng)大家批評(píng)指正。
 

　　因?yàn)樯虾ｋ姎獗容^大，上海電氣風(fēng)電公司的名氣比較小，我們輸配電集團(tuán)，我是來(lái)自技術(shù)中心，我們輸配電集團(tuán)下面還有電力電子有限公司，我先給大家理清一下這個(gè)關(guān)系，順便做個(gè)小廣告。
 

　　是這樣的，我們和風(fēng)電公司的關(guān)系，實(shí)際上是我們分屬兩個(gè)不同的集團(tuán)，我們是輸配電集團(tuán)，他們也是集團(tuán)級(jí)別的，我們總體上來(lái)說(shuō)是他們的一個(gè)供應(yīng)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(fēng)電還有太陽(yáng)能，生產(chǎn)是在電力電子有限公司。
 

　　就風(fēng)電變流器來(lái)說(shuō)，我們是從1.25開(kāi)始做的，然后到2MW，3.6MW。除了風(fēng)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(kāi)始在做項(xiàng)目立項(xiàng)的時(shí)候，中央炒的比較火，所以說(shuō)我們做了一個(gè)調(diào)研，左邊這個(gè)圖是我們根據(jù)市場(chǎng)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(jī)率大概在19%-20%，所以說(shuō)我們也在想壓變流器的成本到底合不合理，還有運(yùn)行和維護(hù)成本，大概在1毛錢(qián)左右就有點(diǎn)太高了，所以說(shuō)就引出下面這個(gè)問(wèn)題，后面的變流器的功率等級(jí)還有發(fā)電機(jī)的形式往哪個(gè)方向發(fā)展，我們做了一些取舍。在功率等級(jí)方面大家肯定都是達(dá)成一致了，但是等級(jí)越大包括安裝、運(yùn)行維護(hù)這個(gè)成本都應(yīng)該比較低。
 

　　另外還有發(fā)電機(jī)的形式，我們從永磁或者雙饋，所以在系統(tǒng)的復(fù)雜程度上面，它和電網(wǎng)還是有一定的耦合度，所以說(shuō)不如永磁來(lái)的簡(jiǎn)單。還有雙饋也是這樣，從驅(qū)動(dòng)形式上來(lái)講，現(xiàn)在我們拿到的數(shù)據(jù)，我們最近也是做了一項(xiàng)調(diào)研，全功率永磁發(fā)電機(jī)，它的造價(jià)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(dòng)鏈如果沒(méi)有什么問(wèn)題的話(huà)，我們認(rèn)為半磁區(qū)的這個(gè)形式還會(huì)占據(jù)一段時(shí)間。全功率的持續(xù)的會(huì)占比較小的一部分。
 

　　從造價(jià)方面來(lái)說(shuō)永磁的肯定比雙饋的，比其它形式的要貴，但是這個(gè)我們要找到一個(gè)突破口，如果說(shuō)永磁系統(tǒng)這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于其它系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在哪里。從控制上來(lái)說(shuō)它的變量比較少，它比其它的要簡(jiǎn)單，從硬件方向來(lái)說(shuō)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(wèn)題就是用的硬件模塊比較多，就有均流的問(wèn)題，還有系統(tǒng)并聯(lián)，加一點(diǎn)硬件和軟件的控制，這樣來(lái)說(shuō)無(wú)論從硬件的數(shù)量，還是從控制的復(fù)雜程度來(lái)說(shuō)，永磁的還是相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，如果單從數(shù)學(xué)的概率上來(lái)算的話(huà)，它的估算點(diǎn)還是比較少的，如果能保證永磁全功率的變流器它停機(jī)時(shí)間比較短，雖然說(shuō)我初期的成本比其它方式要高，但是如果運(yùn)行一兩年就能把初期投入的成本抓回來(lái)，所以說(shuō)我覺(jué)得這一點(diǎn)應(yīng)該是把中壓全功率推向市場(chǎng)的一個(gè)突破口。如果要是大規(guī)模鋪開(kāi)的話(huà)，整個(gè)3000V中壓部件成本也會(huì)降低，這樣就會(huì)進(jìn)入一個(gè)良性的循環(huán)。
 

　　電容前位，我們認(rèn)為電容是一個(gè)不可控量，或者說(shuō)是一個(gè)控制目標(biāo)，它相當(dāng)于增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，所以說(shuō)我們就選了二極管前位。關(guān)于系統(tǒng)的拓?fù)湫问轿覀兪沁x擇背靠背全控的形式，對(duì)于環(huán)流系統(tǒng)并聯(lián)，我們是兩個(gè)3MW的系統(tǒng)并聯(lián)，我這里花了一半。現(xiàn)在的拓?fù)湫问揭灿幸恍┌r(jià)格比較低廉的一種方案，就是說(shuō)在不控總流，一部分是諧波的問(wèn)題，在它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(rèn)為有下面幾個(gè)點(diǎn)需要注意一下，關(guān)于直流母排，實(shí)際上直流母排影響后面那幾個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)，我們也是在做測(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題。因?yàn)橐婚_(kāi)始我們是把關(guān)于直流母排的東西全部看了一遍。這個(gè)換流回路，這個(gè)大家都清楚，因?yàn)樗_(kāi)關(guān)是不平衡的，逆變狀態(tài)下半個(gè)軸波是一直導(dǎo)透的，所以它的熱是不均衡的，在設(shè)計(jì)冷板的時(shí)候要考慮這個(gè)問(wèn)題，這個(gè)是一個(gè)示意圖，我們算出來(lái)的熱容量。
 

　　還有一開(kāi)始我們做的時(shí)候就像做雙饋一樣，要考慮到吸收電路，我們?cè)谧鰷y(cè)試的時(shí)候發(fā)現(xiàn)如果要是做ICD或者ID這種形式都加上去的話(huà)，如果配合不好的話(huà)可能會(huì)更惡化這個(gè)現(xiàn)象。然后還有一個(gè)就是二極管前位只能前外管不能前內(nèi)管，我們探索的時(shí)候就是加平衡電阻，加平衡電阻我們自己做試驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)的，如果配上平衡電阻不是很好選擇，因?yàn)橛行┦遣豢煽氐摹Ｋ晕覀兤胶怆娮枰矝](méi)用。我們加一個(gè)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(yīng)力，如果不用的話(huà)是可以接受的。
 

　　然后是軟的方面，我認(rèn)為現(xiàn)在在大的控制策略方面沒(méi)有什么秘密，大家從文獻(xiàn)里面，或者是書(shū)上應(yīng)該都可以找得到。現(xiàn)在中壓面臨的一個(gè)問(wèn)題就是開(kāi)關(guān)頻率比較低，這對(duì)于諧波的治理來(lái)說(shuō)是比較困難的，因?yàn)榈洼d荷的情況下可能會(huì)有載荷諧波，所以我覺(jué)得對(duì)于諧波的治理是比較重要的。在諧波治理方面我們經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)的幾個(gè)方法就是說(shuō)重復(fù)控制看看誰(shuí)比較好一點(diǎn)，還有就是低Q軸同軸旋轉(zhuǎn)，但是那個(gè)不能加很多。
 

　　總得來(lái)說(shuō)，我們做2MW雙饋的經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，一個(gè)可靠的系統(tǒng)，一個(gè)比較好的設(shè)計(jì)，應(yīng)該是硬件和設(shè)計(jì)是能占到一個(gè)系統(tǒng)的最少60%。但是在軟件部分大的控制策略沒(méi)有什么秘密可言，就是說(shuō)小的部分我們要精益求精，把它搞明白。從實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)講，我們平常看不上眼的那些東西，比如說(shuō)一個(gè)濾波器的設(shè)計(jì)，實(shí)際上這些東西在控制過(guò)程中都是起很大的作用的，你有些隱患的話(huà)如果這兩點(diǎn)處理不好就會(huì)引起很大的問(wèn)題。但是總的來(lái)說(shuō)，硬的設(shè)計(jì)和軟的設(shè)計(jì)還是要很好的結(jié)合起來(lái)。
 

　　后面這個(gè)問(wèn)題就是說(shuō)我們做了一下總結(jié)和梳理，但是這四個(gè)方面是一環(huán)扣一環(huán)的，總體上來(lái)說(shuō)都是由于成本的壓力產(chǎn)生了這幾個(gè)問(wèn)題。標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題我們?cè)谧龅倪^(guò)程中一開(kāi)始是3000V的系統(tǒng)絕緣配合，因?yàn)閲?guó)內(nèi)3000V在輸電側(cè)這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)里面應(yīng)該是處于一個(gè)比較尷尬的位置，絕緣配合我們最后還是參照了歐洲的機(jī)車(chē)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)做的，就是15024，然后還有一個(gè)問(wèn)題就是說(shuō)可能有很多專(zhuān)家也都提過(guò)這個(gè)問(wèn)題，就是風(fēng)電變流器不可能長(zhǎng)期處在滿(mǎn)發(fā)的狀態(tài)下，所以它的電流應(yīng)力和電壓應(yīng)力也不能一直按照額定工況來(lái)考慮，是不是有針對(duì)性的對(duì)我們這種情況做出相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。然后至于關(guān)系到現(xiàn)在因?yàn)槲覀兊难b機(jī)容量應(yīng)該是世界第一，所以說(shuō)我們以往的這些數(shù)據(jù)能不能拿過(guò)來(lái)比對(duì)一下，到底這個(gè)變流器一般運(yùn)行在多大功率范圍之內(nèi)，這樣來(lái)做一個(gè)指導(dǎo)，這樣的話(huà)對(duì)我們器件的選擇應(yīng)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(shè)計(jì)，比方說(shuō)我們做這一套樣機(jī)的時(shí)候，開(kāi)關(guān)功率的設(shè)計(jì)，從3000V的角度我們只能設(shè)6000V和10千伏的設(shè)計(jì)，但是它有獨(dú)立成柜的時(shí)候這樣就要加大成本。我們?cè)谧?.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(guò)相變的取得負(fù)變的，這邊又可以省10萬(wàn)塊錢(qián)。還有發(fā)電機(jī)的繞組形式，我們一開(kāi)始也通過(guò)不同的渠道打聽(tīng)過(guò)這個(gè)事情，一開(kāi)始說(shuō)雙饋發(fā)電機(jī)可以完全按照兩臺(tái)獨(dú)立的發(fā)電機(jī)來(lái)控制，但是實(shí)際運(yùn)營(yíng)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(jī)功率比較大的話(huà)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)還是比較大的。上個(gè)月在北京開(kāi)會(huì)的時(shí)候，金風(fēng)的總工也講他們也遇到這個(gè)問(wèn)題，就是說(shuō)功率相差很大，磁場(chǎng)可能就不那么圓。
 

　　還有一點(diǎn)就是我們要從系統(tǒng)的角度降成本，就是發(fā)電機(jī)的歷史強(qiáng)度，還有是因?yàn)樽兞髌鳎驗(yàn)樽兞髌骶褪悄敲匆粋€(gè)電流等級(jí)的，我們?cè)诹粲邪踩昧康那闆r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(lái)，所以說(shuō)這樣是一個(gè)比較好的方案。
 

　　還有一個(gè)就是冗余和容錯(cuò)控制，現(xiàn)在陽(yáng)光已經(jīng)在用了。遠(yuǎn)程維護(hù)這方面主要還是降低停機(jī)時(shí)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(zhuān)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(gè)方案在下降，就是IGCT和IEGT有短路的特性，造成會(huì)把整個(gè)系統(tǒng)拖垮，會(huì)把失效展開(kāi)，這個(gè)方面還有比方說(shuō)壓裝這些東西，工藝的挑戰(zhàn)還是比較大的。硬件設(shè)計(jì)就是說(shuō)我們利用以往的大數(shù)據(jù)把它定在一個(gè)合理的點(diǎn)上，并不一定一直要按買(mǎi)方的想法來(lái)設(shè)計(jì)。總體上就是這些，請(qǐng)大家指正。