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大功率海上风电机组的变流方案及发展趋势_禾望电气_周党生.pdf

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1、大功率海上风电机组的变流方案及发展趋势周党生禾望电气2023-03- 目录CONTENTS 海上风电及其机组的发展趋势海上风电及其机组的发展趋势大容量海上风电机组的变流方案大容量海上风电机组的变流方案海上风电变流系统的发展趋势海上风电变流系统的发展趋势技术驱动力：平价时代下的规模化、高质量发展；新型电力系统背景下的角色转变平价上网（LCOE）主体责任1 新能源产业的核心驱动力产业驱动力：国家可持续能源发展战略2030碳达峰,2060碳中和”双碳目标+构建以新能源为主体的新型电力系统！一、海上风电及其机组的发展趋势能力：方案性价比/装置可用率；电网支撑性动力：规模发展高度共识，激发了：广泛

2、的减碳行动，大量的产业投入，大范围的协作创新3/372 海上风电是风电领域的前沿阵地海上风电同时受益于国家可持续能源发展战略和海洋经济发展战略；但在技术、工程上的门槛和风险更高！风电风电海上海上基础1：陆上风电发展经验基础2：海工装备及平台经验海上风电（离岸10km+,水深10m+）具有风速高、风况稳定、不占土地、环境影响小、靠近负荷中心等突出优点！机组等效利用小时数上的优势：陆上18002400h；海上22004000h一、海上风电及其机组的发展趋势4/373 海上风电进入规模化发展阶段产业及装备前景：我国海上风能资源丰富，近海可开发风能约5亿千瓦，沿海分布多个千万千瓦级海上风电基地

3、！2016年后，我国海上风电试点加速；2021年迎来规模化发展阶段。国家发改委十四五发展纲要：重点建设江苏、广东、福建、山东等海上风电基地。2021年，中国风电新增装机47.6GW,其中陆上30.6GW，海上16.7GW!海风占比超过1/3!一、海上风电及其机组的发展趋势5/37一、海上风电及其机组的发展趋势4 海上风电机组的总体发展趋势高支撑性海上风电机组大功率高可靠性高适应性高性价比智能化国产自主探索与收敛从电气角度看：6/37一、海上风电及其机组的发展趋势4.1 大功率化必要性：机组基建/维护成本高；输电系统成本高可行性：海上风况好；长叶片技术；传动链及电气系统发展。AVCPP3),(2

4、1windRVR海上风电机组的功率发展速度，远远超过原陆上风电发展历程！带来机械、电气、电工、安装等挑战！7/37一、海上风电及其机组的发展趋势4.2 高可靠性海上风电长期面临高低温、高湿度、高盐雾及霉菌、H2S气体等其他恶劣工作环境，且受海上维护成本高及平价上网的经济约束，都需要提升风电机组及变流器的现场可靠性和实际可用率。驱动力：工作环境恶劣；海上可达性差；故障损失大、运维费用高；平价上网要求。8/37一、海上风电及其机组的发展趋势4.3 电网适应性与支撑性“双高”新型电力系统逐渐成型，这对风电机组和电网的运行控制都会带来巨大挑战。海上风电机组单机功率大；同时面临复

5、杂多样的汇集和送出方案。驱动力：A.风电对大电网的影响日益凸显，机-网互动稳定性问题更加复杂（各种频段的振荡风险）；B.GB38755-2019电网稳定导则及系列标准加速推出,风电机组除了适应各种电网条件外,还需对大电网的频率、电压等提供实时调节与支撑。9/37一、海上风电及其机组的发展趋势4.4 高性价比性与高度国产化随着海上风电平价上网的全面铺开，度电成本(LCOE)和机组性价比成为产业规模化发展的核心关切。海上风电机组的竞争为系统整体方案和质量表现的竞争，且很大程度上体现为各自供应链的全面竞争。全面国产化是提升零、部件供应链安全性和性价比的必须

6、手段，但对于复杂的零、部件，需要经历技术辅导、应用反馈和反复的验证、迭代过程。10/371 海上风电机组电气分类（传动-电气链）二、大容量海上风电机组的变流方案ABCDEwindRVR功率上升，叶片加长，转速下降，直驱下的发电机/变流器设计难度加大！异步全功率双馈永磁直驱中/高速永磁双变换器双馈从控制角度，双馈挑战性更大：（1）电网故障下的变流器及传动链冲击；（2）电网故障下的电网支撑控制精度；（3）机组并网模型的精度及对电机参数的依赖。11/371 海上风电机组电气分类（变压器、变流器放置）XfrCnv3535kVkV690690V V690690V V3535kVkVXfrCn

7、v3535kVkV690690V V3535kVkVTop-Xfr 与 Bottom-Xfr 的核心差别：若将变压器、变流器上置于机舱：则 35kV或66kV 高压细线缆，会穿过塔筒进入机舱，易于解决扭缆困难问题，且该长线路段的线损较低；变压器低压侧、变流器、发电机距离较近，对低压粗电缆的接受程度更高。但变压器上置，会增加机舱载荷；从安全考虑，一般需采用干式变压器，会增加成本。二、大容量海上风电机组的变流方案Bottom-XfrTop-Xfr12/372机组电压等级选取的决定因素（发电机、变流器、电缆、开关等）（1）不同机组/发电机类型下的功率-电压约束关系：比如，常规690

8、V 双馈发电机最大到7-8MW左右；690V全功率发电机最大到10MW左右。（2）机组变压器下置/上置不同方案的影响：变压器下置：由于线损及扭缆问题，对提升变流器、发电机电压的需求更强烈；变压器上置：线损及扭缆解决较彻底；但需一般需干式变压器，且增加机舱载荷。（3）还需结合其他电气部件的成熟度和供应链，计算系统的综合成本。机组内部电压等级的选取具有重要影响（器件、电路、容量范围、控制、安规/维护等）,是划分变流器产品系列的重要维度。不同电压等级具有不同的相对经济的容量范围，同时低压/中压下的安规设计代价及维护资质要求也存在差异。二、大容量海上风电机组的变流方案

9、13/372机组电压等级选取的决定因素（相关标准定义的影响）关于低压/中压区分的标准：对IEC60038 及 GBT156中标准电压范围的理解在低压区，基于标准电压的定义，可尽量选择更高的电压等级，以支持大容量机组的发展。二、大容量海上风电机组的变流方案14/373不同电压等级的变流方案功率器件关断电压开关电流开关频率损耗，节温可控性，经济性MOSFET风电变流器通常采用IGBT器件：IGBT模块由多芯片并联而成；器件电流小，并联支路多，在变流器中需再次并联，影响可靠性。IGCT器件由GCT芯片和门极驱动器组成：耐压高、电流大、损耗小、过载能力强，无须并联即可应用于大功率装置。GCT属

10、于电流驱动型器件，需配合特别设计的脉冲大电流驱动电路，相关的缓冲、保护策略也不同。IGBT芯片IGBTIGCTGCT芯片驱动器二、大容量海上风电机组的变流方案15/373不同电压等级的变流方案概览当前适合海上风电机组的变流器系列，按电压等级分：3300V 中压三电平变流器突破容量限制，直接提升本体可靠性690V 低压两电平变流器模块化扩容，通过并联冗余提高可用率950/1140V 低压三电平变流器一定范围内扩容，优化系统成本二、大容量海上风电机组的变流方案16/373不同电压等级的变流方案产品系列1(690V两电平系列)低压双馈变流器690V系列，风冷/水冷低压全功率变流器690V系列，水冷I

11、GBT1IGBT2Diode1Diode22 Level单机功率：1.06.4MW进一步支持多变流器+电机多绕组配置二、大容量海上风电机组的变流方案17/373不同电压等级的变流方案产品系列2（950V/1140V低压三电平系列）低压三电平变流器950系列/1140V系列，水冷3 Level NPC/ANPC单机功率：1.27.2MW二、大容量海上风电机组的变流方案IGBT1IGBT2IGBT3IGBT4IGBT5IGBT6进一步支持多变流器+电机多绕组配置18/373不同电压等级的变流方案产品系列2（950V/1140V低压三电平系列）二、大容量海上风电机组的变流方案实例1：1140

12、V/10MW 机组变流器方案：2台单机配合发电机双绕组运行PMPMGENGENIGBT 1IGBT 2IGBT 3IGBT 4IGBT 5IGBT 6IGBT 1IGBT 2IGBT 3IGBT 4IGBT 5IGBT 6IGBT 1IGBT 2IGBT 3IGBT 4IGBT 5IGBT 6IGBT 1IGBT 2IGBT 3IGBT 4IGBT 5IGBT 6GridGrid19/373不同电压等级的变流方案产品系列2（950V/1140V低压三电平系列）二、大容量海上风电机组的变流方案故障/轻载冗余运行特性实例2：1140V/16MW 机组变流方案:4台单机配合发电机4绕组运行电网主

13、控制器备用控制器故障故障发电机模块化设计的技术优势：扩容便利：易于系列化；功率柜归一：提升生产效率及质量水平；故障冗余：提升运行可靠性；智能切机：提升轻载效率、寿命均衡度。20/373不同电压等级的变流方案产品系列3（3300V中压三电平系列）二、大容量海上风电机组的变流方案单机功率:813 MW支持变流器多机+电机多绕配置；提供26MW机组的变流方案3 Level NPC/ANPC兼容21/373不同电压等级的变流方案产品系列3（3300V中压三电平系列）二、大容量海上风电机组的变流方案3300V中压IGCT变流器效率690V低压变流器效率IGCT 中压变流器技术优势：单机功率大，器件少

14、，可靠性高；器件过载能力强：默认150%过载，短时更强；先进PWM算法：可均衡器件损耗，并保障电能质量；转换效率高：综合效率 98%，轻载效率高；压接型结构：短路不炸机，故障不蔓延。22/374适用于大容量机组的创新型变流方案定子中压双馈机型二、大容量海上风电机组的变流方案电网变压器并网断路器并网接触器软启回路网侧电抗机侧电抗网侧模块机侧模块Chopper发电机主接触器变流器柜37.5/10.5kV10.5/1.14kV中压并网柜箱变10.5kV1.14kV方案1：23/374适用于大容量机组的创新型变流方案定子中压双馈机型二、大容量海上风电机组的变流方案电网变压器并网断路器并网接触器软启回路

15、网侧电抗机侧电抗网侧模块机侧模块Chopper发电机变流器柜37.5/10.5kV中压并网柜箱变37.5/1.14kV主接触器10.5kV1.14kV方案2：24/37三、海上风电变流系统的发展趋势1 一体化融合设计存在较大的优化空间，特别是对于凸极效应明显的同步机3()2enf qdqd qTpiLL i i非线性,MTPA变流器发电机的设计优化与匹配：（1）系统层面：变流器风电机组电网接入系统的融合设计：机组类型/布置，电压等级，转速/频率范围，功率挖掘，特殊工况应力，结构布局等。25/37三、海上风电变流系统的发展趋势1 一体化融合设计（2）变流器层面：器件模组机柜(单元)

16、变换器多机系统的融合设计：各个层次的梳理，深入研究、优化设计、规格定型；平台化：标准化，高度复用，易于扩展，1+12 器件：IGBT模块模组：单相/三相桥功率柜(变换单元)变流器(单机或多机)电磁热力网：多物理场的协同仿真与设计：26/37A.损耗计算，流体场仿真，温升分布，节温估算与管理B.新型散热技术的探索与应用三、海上风电变流系统的发展趋势2变流器的损耗精确计算与高效散热技术27/37针对海上风电严酷的运行环境，发展变流器的全面微环境管理技术：包括正压式框架结构及各类防护技术等，确保机柜运行密封性及运输过程防护；采用表面镀层及高喷涂等级、气象防锈胶囊、电缆接口防护、温/湿

17、度综合检测及主动加热除湿技术等。专用干燥剂，气象防锈胶囊IP54防护，C4喷涂，真空包装盐雾试验，高低温试验，抗震试验接口密封，隔热棉三、海上风电变流系统的发展趋势3变流器的环境适应性与防护技术28/37电能质量合格电网适应性强主动支撑电网发展初期：外来居民系统性稳定源电能质量合格应用拓展：四海公民区域高占比：骨干力量系统主力：领导阶层有功/无功调节低电压穿越基本电网适应性（V/f偏差/变化/谐波/不平衡）频率/电压支撑快速惯量响应高电压故障穿越高低电压连锁故障“双高”电力系统稳定新框架及主体责任；良好的机网互动稳定性(次/超同步谐振，自组网能力，弱电网稳定);系统灵活性、弹性.辅助电源主力电

18、源并网标准(GB/NB)的密切推出：三、海上风电变流系统的发展趋势4基于变流器的并网控制关键技术新能源发电在电网中角色的转变：29/37三、海上风电变流系统的发展趋势4基于变流器的并网控制关键技术机组可靠运行技术电能质量电气/气候适应性远程智能运维电网支撑性技术高/低电压故障穿越高低电压连锁故障穿越惯量响应/一次调频无功调节及自动稳压快速能量管理与调度电网适应性技术电网电压偏差/闪变适应电网频率偏差适应电网电压谐波/间谐波适应机网互动稳定性技术场内高频谐振抑制弱电网条件稳定运行机组/场站并网特性评估电网电压不平衡适应次/超同步振荡抑制1234适应电网支撑电网主动组网辅助电源主力电源：30/37

19、虚拟同步机 VSG工作模式电压控制型电流控制型统网型Grid Leading构网型Grid Forming支撑型Grid Supporting跟网型Grid Following电源类型恒定电压源可控电压源可控电流源恒定电流源控制目标输出电压的幅值、及频率恒定，P/Q完全由平衡负载而决定输出电压的幅值及频率自主调节f(P)，V(Q)基于P、Q给定，附加自主调节量P(f)，Q(V)跟随机组 P、Q给定示例UPS、AC Source等电源的输出侧采用下垂、自同步控制的新型逆变器具备FRT、附加调频/调压功能的并网逆变器基于PLL的常规矢量控制并网逆变器(MPPT)并网控制模式的拓展与创新：并网控制模

20、式的拓展与创新：不同技术路线的关系小结三、海上风电变流系统的发展趋势5 关于虚拟同步机(VSG)及构网型变流器(GFC)31/37三、海上风电变流系统的发展趋势5 关于虚拟同步机(VSG)及构网型变流器(GFC)GFC:构网型变流器是一种电力电子设备，它可以在电力系统中产生并维持稳定的交流电压和频率，类似于传统的同步发电机。它通常用于将可再生能源、储能系统或其他分布式能源连接到电网。与传统的依靠所连接的稳定电网而运行的跟网型变流器不同，构网型变流器即使在没有稳定电网的情况下，也能建立并保持自身稳定的类似电网的行为特性。跟网型（只管出力）构网型（巧用“羊群效应”）32/37电流源电流源VS

21、GVSG实现技术：实现技术：外特性模拟nfgffddkdtpkP+矢量合成-+refPfbPPI_drefI-+_dfbI_qrefI-+_qfbI_dpwmU_qpwmU+-+gdVgqVpllPLLjEe附加有功分量模拟VSG调频特性PLLgqVrefQfbQPIrefwtcPqDrefV附加无功分量模拟VSG调压特性电压源电压源VSGVSG实现技术：实现技术：多种基本构架尚未统一！1Js1sDfbPrefQfbQPIU矢量合成jUerefwtcPqDrefwtcQrefVgVnPadjQ功率自同步PSS自动无功调压无内环或有内环控制1n虚虚拟拟同同步步机机V VS SG G三、海上风电

22、变流系统的发展趋势5 关于虚拟同步机(VSG)及构网型变流器(GFC)33/37三、海上风电变流系统的发展趋势6硬件在环仿真技术的成熟与广发应用建模、仿真、评估、测试等服务：对外：支持国内、外电网电气及控制建模、高低穿认证校验、特定电网条件并网评估等认证。基于实测数据，建立机组的电磁模型并完成校核，支持新能源场站级模型的构建与应用。对内：研发项目调试（可涵盖几乎所有功能逻辑及大部分控制性能）。置信度不断提高！置信度不断提高！34/37三、海上风电变流系统的发展趋势7海上风电新型输电形式对机组、变流器及其控制的影响需研究：交流/直流风机通过直流输电时的变流、组网方案及多机调控技术资料来源：上海交大35/37三、海上风电变流系统的发展趋势8大功率电力电子装备的技术领域器件材料散热技术扩容技术结构设计控制技术验证技术集成工艺一代器件，在一定程度上决定了一代装备！一代器件，在一定程度上决定了一代装备！36/37敬请各位专家指正！Thanks a lot！

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