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阳光电源汪令祥:阳光电源1000VAC三电平系列化风能变流器介绍

日期:2019-09-20    来源:能见App

国际新能源网

2019
09/20
09:53

关键词: 风电设备 阳光电源 汪令祥 风能变流器

  9月19日,“2019第三届中国风电设备质量与可靠性论坛”在株洲召开。
  阳光电源股份有限公司副总裁汪令祥出席大会并发表了题为《阳光电源1000VAC三电平系列化风能变流器介绍》的主旨演讲。以下为发言全文:
  汪令祥:感谢对我们阳光电源这么高的评价,首先感谢我们专委会和中国中车风电给我们这次机会。各位专家今天我汇报的题目是1000VAC三点平风能变流器介绍。我们近两年来一些机组的技术和可靠性的诉求,这些需求几个整机厂家在一起讨论一个创新的方案,希望通过技术的创新来引领咱们风电系统这一块进一步的提高,同时提升机组的质量和可靠性及效益。经过两年来的不断沟通,特别是在我们评价倒逼的政策下,我们今年变流器的样机有所突破,想借这个机会跟各位专家汇报一下,希望得到各位的批评和指正。
  分四个方面给大家汇报一下。
  一是为什么选择在1000VAC电压等级。二是1000VAC风电机组系统优势。三是1000VAC三点平变流器型谱。四是总结。
  一、为什么选择1000VAC电压等级?在讨论之前我们可能说过了,我们跟光谱的专家讨论,光谱的专家经常说咱们风电10多年来,咱们这个电器,尤其是电压一直没有变化,一直就在这个系统,而光伏从03年开始现在提升到最高的现在有900伏的电压,所以这样我们也在探讨,两年前我们就在探讨,风电能不能从现在的190VAC电压更高的提升,我们进行了一个分析,我们目前各个领域为了降低机组单瓦的造价成本,各大整机厂都在积极开发单机4MW以上的陆上机组,海上机组单机最大功率已突破了7MW,要求电流的等级要到基本上是每一兆瓦1000左右,如果7兆瓦要到7000安平。过大的电流将对机组的电器系统,我们电能转化的系统起到较高的技术和质量可靠性的挑战,比如说在电缆、变流器发电机散热方面,比如说机组偏航解缆设计、电能转换效率、系统电磁兼容性等方面存在一定的技术难点,这些难点是不可回避的,因为电流是实实在在的,1200的电流需要多大转换的?在这种情况下我们思考,机组单功率大型化、高功率密度要求,功率中的电压、电流是互为约束的关系,这都使我们产生一些疑问,我们690VAC低压系统,我们机组的电流是随着单机功率的提升,而无限提升的设计方案,是不是最优的电能转化的最佳性价比方案?我们有这个疑问。
  如果不是的话,我们在思考,在讨论下一个电压等级之前,我们来看一下电力系统源端电压的关系,这个是最基本的发电厂、电力网和用户组成的一个整体系统,我们在看这个之前,我们之前的690VAC的系统是怎么来的?这是我们在用户侧和发电侧的发电关系,我们在1000MW以下,比如说3000伏以上,我们在06年左右风电的机组在研究过程中,当时有部分的机组是选在660V的电压的,随着我们对风电机组的理解,我们认为发电侧变成了690伏,我们进一步在低压组分析一下,在1000伏以下的系统发现,发电侧这个电压等级互为用户关系。我们在思考,如果我们选择690V更高的电压等级,在1000伏的电压系统下我们有两个问题,第一个是如果690V为下电压的话,或者我们低无1000V是标准的,我们作为发电者来看,我们可以推导出两个电压等级,1140V/950V,这是我们选择1000V系统的,1000V以下,下一个机组电压的理论来源。这里面有一个关键点,1140V能不能作为1000V的低压系统考虑,为此我们查了一些国标的标准。 这个是我们标准电压的定义,这里面明确定义了1140V可以规定为低压。如果选择1140V作为低压系统来看也是有标准可依的,这就是我们为什么选择1140V和950V的来源,选择这两个低压以后,我们来分析一下,如果真的选择1000VAC系统我们系统的优势在哪里?
  二、优势。我们如果集中在1000V,是否是风电机组降低系统造价成本、提高效能的创新举措呢?我们来看整个机组的电机情况,发电机交流电压提升,额定电流减少,功率密度会有所提升,重量减少,相同的功率密度要求下,发电机单机功率可进一步扩展,线机的数量是减少的,线缆数减少,生产工艺简化,发热量减小,损耗就减少了,效率有所提升,不同电机的标准,效率这一块的提升是不一样的。相同的功率密度要求下,发电机单机功率可进一步提升,因为1000V它的绝缘其实不需要提升多少的,所以电机这一块不会产生其他额外的负担,不会产生成本和质量的问题,这是电机这一块。
  从电缆情况来看,国内的风机和国外的风机比较大的区别,咱们的转换器一般90%上放在塔底的,会有非常长的电缆,所以这里面如果把机组的额定电压提升,我们电缆的线径减少或者数量减少,因为它电流少重量变轻了,成本是降低的,机组解缆更为房斌,载流减少使得损耗降低,传输效率有效提升。电缆这一块的效益是非常客观的。
  另外一个从变流器角度来看,变流器额定电流见效,为了适应较高的额定电压,需要较高的直流电压,可采用多电平方案,转换效率提升,谐波控制及适应特性变好,相同的功率密度要求下,单机功率可进一步扩展。所以说我们提升了机组的额定电压,变流器这一块带来的好处也是明显的。
  后面是变压器原副边匝比改变,改动量小,副边电流降低,损耗会降低,转换效率提升,损耗降低一些但是降低不大,但是对变压器这一块,技术更改这一块不大,最起码会引起它成本的上升。
  如果从整个投资来看,不管是我们的发电机还是我们的变流器,机组的单机功率进一步提升,可以降低施工成本,也就是说如果提升到1000伏左右的系统以后,单机功率进一步提升,每个相同容量的风场设备数量降下来了,定性分析来看,机组额定电压的提升是对整个机组这一块是有好处的。
  我们还可以定量分析一下几个恶毒。
  (一)投入成本的差异。我刚才说的电缆和IGBT和一些其他的器件和我们的网侧电缆以及配电开关这一块,还有我们率波器这一块,我们电器系统降能能达到10—15%以上,定量把这个费用罗列出来大概是15—20万一台。这里面没有考虑发电机和升降变压器,因为我们是变流器的专家,升降变压器我们只是定性的了解,一些定量的数据可能很难获得,但是我们调研,我们的绝缘基本上无需特殊设计,发电机和变压器材料、设计及工艺总成本不会增加,不同的发电机和变压器设计方案,其成本的降低幅度会不一样,但是不会引起电器成本的上升,这是定性的调研数据。
  第二个同样是1000V低压系统,机组电气系统中最为关键的设备:风能变流器中的IGBT、断路器、电容等核心器件的供应链可以与光伏1500VDC系统相关器件做到完美兼容。
  (二)从转化效率来看,刚才说过了,我们IGBT开关自由度增大以后,我们变流器调制的波型更接近于正旋波(音)同时额定电流的减小和一些器件的替代,比如我们用1200伏的IGBT,这时候它的转换效率就有效提升,这上面是我们的两个数据,这是我们在相同包括其他器件相同的设定标准的情况下,这是对比,我们效率基本上能到0.5到一个点左右,效率的提升。同时,这里面效率由于我们刚才说过了,我们3厘米的引入,我们机车的发波的自由度增大了以后,这里面对效率更有一些影响。所以这里面有一个优势条件,就是我们效率的对比一定是在基于相同的维度情况下,比如说开关频率、电抗器参数、交直流侧电压、内管尖峰抑制举措等,效率能提升。
  (三)电网友好性。它的发布更接近于正旋波(音)相同的条件下我们可以减小网侧滤波器的尺寸及成本,等效开关频率提升,这是谐波的对比,比2厘米的优化了很多。
  (四)从电机绝缘来看,同样也是基于这种自由度的增多,我们在对共模电流的选择,共模电流的调制,有更高的自由度,我们可以使得共模电压有效降低,D4/dt减小,电磁干扰减小。
  从整个长期的收益率来看,我们有效益的提升,这是整个对业主的整个寿命周期的电缆投资的回报,从这个来看,我们分析了如果是5MW的系统,可以节省100万的费用,所以这里面是效率的提升,如果是5万的风场可能有1000万左右的效率的提升,费用的减小。这是我们1000伏系统定性或者定量数字的一些分析。
  三、1000VAC三点平变流器型谱。我们目前现在950伏交流的电压,然后2.5兆瓦到3.X到4.X的,我们为了控制电压这一块的要求,如果选择1200伏的IGBT系统,我们交流系统选择900VA,还有一个系统是1140VC,这是我们现在目前定型的变流器系统。这个变流器系统一个关键部件IGBT,目前市面上,我罗列的是有1200伏的,我们现在目前光伏系统的批量的IGBT,从型号来看。刚才说了1700伏的IGBT不说了,我们这里面如果说选择900伏,这里面我们罗列的是1200伏的,这里面看到我们IGBT的核心物料供应链极大的丰富了,所以这里面会进一步降低我们供应链的降本。这是我们3厘米的变流器的,从这个来看,基本上跟两厘米没有本质的区别,只是说把我们的直流侧的从2平换成三平的方案,全功率根据不同的设计思路,这里面大兆瓦级,5兆瓦以上有两个方法,两个变流器能兼容设计的,另外还有一个是系统的方案,就是通过我们IGBT的对接进行进一步的增容,这两个方案都是不同的设计思路来进行的。对于3厘米的变流器,它的完全跟2厘米的一样,除了从2厘米换成三厘米,没有本质区别。
  这是我们今年设计地铁5兆瓦的变流器的,1140伏的方案,右边是我们选的IGBT型号的对比,从这里可以看出,如果选择1200伏1800瓦的,IGBT可以适当的提升,1200IGBT损耗比较小,这是它的IGBT的利用率,这是变流器,整个变流器持续的能量可以到6伏安,选择相同的利用率,这里面也同样能到0.2兆瓦。 这是我们这个月就要出场的8兆瓦的1140伏的变流器,这也是海上用的,直驱的。这个是我们双馈的主控一体风冷三点平变流器,其他的方面增强了一些绝缘,但是它还是按低压来进行设计的。
  四、总结
  一是技术协同创新的步伐不一致。大家知道关键技术解耦不充分,1000VAC风电机组是个新系统方案,需要发电机、变压器、变流器及变流器下游供应商等联合行动,共同投入资源,进行系统创新。所以目前我们有些,比如说在防雷,在有些框架断流其这一块,我们根供应商联合行动,但是这一块步伐相对来说还不太一致,因为这里面有些供应商没有看到下面的趋势。
  二是电网适硬性。1000VAC低压器件电压的裕量用足,特别是当电网出现1.3倍连续500ms+的高穿时,对变流器主电路各涉网器件应力是个较大的考验。电压抬升后对器件的绝缘设计、电气间歇等需要进行特殊的考虑设计。这里面考虑成本增加不大。
  从整个后续发展方向来看我们对1000VAC系统是在已有690VAC非常成熟的技术延长线上进行创新设计,其相关的技术平台具有延续性、技术创新难度小但带来的收益却非常可观。风能变流器中引入三点平技术,有助于提升机组转换效率和电网友好性,同时可抑制发电机的共模电压和轴电流,提升发电机的寿命。这是我们认为有价值的方面。
  另外一个,也是希望通过技术创新和系统方案优化设计,实现机组单瓦造价持续降本,现在目前,尤其是去年,去年我们机组的招标价格持续走低,今年有些上升,但是随着平价上网对机组靠可靠性的要求,我们是质量可靠性的论,要求是一点不能放松的,但是如果纯粹的通过供应链,通过低劣器件替换来进行降本这不是长久的,所以我们认为需要通过技术创新和我们系统方案优化的设计,来实现机组造价的持续的降本,这是我们走好、走稳风电平价上网最后一公里的方案,在这个过程中需要上下链共同努力,相互融合。
  另外为公司打个广告,我们四个字就是“成就客户”,成就客户是我们最高的准则要求,我们非常愿意通过我们技术创新努力,为风电技术性价比提升做出我们应有的贡献,在过去的18年17年我们充分的沟通和融合,我们创新地实现了3VAC和4VAC双馈机组用变流器风冷化基础方案的批量应用、也实现了双馈和全功率机组的主控、配电、变流器、冷却系统四位一体方案的落地实施。这里面也是通过技术创新和系统方案的优化设计,来给整个机组进行降本,我的汇报结束了,谢谢大家。
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