2024大功率海上風(fēng)電電氣設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

大功率海上風(fēng)電電氣裝備關(guān)鍵技術(shù)1 中國海上風(fēng)電概況CONTENTS

海上風(fēng)電變流器技術(shù)海上風(fēng)電無功補償技術(shù)中國海上風(fēng)電概況中國海上風(fēng)電資源分布海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——大型化海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——遠?；袊Ｉ巷L(fēng)電資源分布中國有18000km海岸線。海上風(fēng)電資源主要在中國有18000km海岸線。海上風(fēng)電資源主要在遼寧、江蘇、上海、福建、浙江、廣東。5~25m水深、50m高度海上風(fēng)能約2億千瓦；25~50m水深、70m270m5截止2019年3月底：已投運海上風(fēng)電項目36個，容量3.7GW，機組1017臺。截止2019年3月底：已投運海上風(fēng)電項目36個，容量3.7GW，機組1017臺。在建海上風(fēng)電項目34個，總?cè)萘?0GW。已核準(zhǔn)（公示）未開建的海上風(fēng)電項目87個，容量41.4GW。海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——大型化海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——大型化大功率海上風(fēng)電機組對降低基礎(chǔ)設(shè)施成本和運維成本有重要意義。西門子放棄早期開發(fā)的4MW海上風(fēng)電平臺，主流海上風(fēng)電平臺覆蓋6MW-8MW，最新海上風(fēng)電平臺10MW起步。VESTAS的V164-10MW是在V164平臺研發(fā)而來，如今已經(jīng)可以進行銷售。首臺商用風(fēng)機將于2021年安裝。西門子放棄早期開發(fā)的4MW海上風(fēng)電平臺，主流海上風(fēng)電平臺覆蓋6MW-8MW，最新海上風(fēng)電平臺10MW起步。VESTAS的V164-10MW是在V164平臺研發(fā)而來，如今已經(jīng)可以進行銷售。首臺商用風(fēng)機將于2021年安裝。GE銷售單機6MW和7MW海上風(fēng)電，幵計劃2019年提供12MW樣機，2021年實現(xiàn)Hiliade-X12MW量產(chǎn)。海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——大型化東方電氣喜獲國內(nèi)首張10MW等級海上風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計認(rèn)證證書；

金風(fēng)正在進行下一代超中國海上風(fēng)電機組發(fā)展四個階段：1）陸地風(fēng)電衍生機型2.5MW，3MW居多；大功率8MW機組開發(fā)和 1中國海上風(fēng)電機組發(fā)展四個階段：1）陸地風(fēng)電衍生機型2.5MW，3MW居多；2）中大功率海上機組：4MW級；上海電氣4.0MW，遠景能源4.2MW。2）中大功率海上機組：4MW級；上海電氣4.0MW，遠景能源4.2MW。23）大功率海上機組：5MW/6MW/7MW金風(fēng)6.7MW，湘電5MW，海裝5MW，3）大功率海上機組：5MW/6MW/7MW金風(fēng)6.7MW，湘電5MW，海裝5MW，明陽7MW，運達5MW，東汽5MW。8MW~12MW；金風(fēng)8MW，湘電8-11MW，海裝8-12MW，明陽8-12MW8-12MW。10MW級海上風(fēng)電技術(shù) 4預(yù)研和樣機設(shè)計新挑戰(zhàn)中國海上風(fēng)電未來丌可避免地走向遠海變流器海上風(fēng)電發(fā)展趨勢——遠?；绿魬?zhàn)中國海上風(fēng)電未來丌可避免地走向遠海變流器塔電無遠機抗基能功程組腐建輸補運抗蝕設(shè)送償維震性海上風(fēng)電變流器技術(shù)海上風(fēng)電變流器分類三電平海上風(fēng)電變流器三電平海上風(fēng)電變流器690V兩電平海上風(fēng)電變流器大功率海上風(fēng)電變流器可靠性研究海上風(fēng)電變流器分類傳統(tǒng)風(fēng)電電機電壓為690V3300V系統(tǒng)電壓：電機安裝機艙，變流器，箱變安裝在塔筒。3.3kV電纜輸送到塔筒下部。傳統(tǒng)風(fēng)電機組變流器安裝塔筒下面，扭纜設(shè)計困難，7MW是當(dāng)前方案的極限

1140V系統(tǒng)電壓：電機安裝機艙，變流器，箱變安裝在塔筒。1.14kV電纜輸送到塔筒下部。690V系統(tǒng)電壓：電機，變流器，箱變安裝在機艙上。35kV電纜輸送到塔筒下部。3300V三電平海上風(fēng)電變流器——器件低導(dǎo)通損耗低開關(guān)損耗1997年ABB在IGCT器件（integratedgate-commutated低導(dǎo)通損耗低開關(guān)損耗相比禾望電氣是國內(nèi)首家成功產(chǎn)品化IGCT變流器的企業(yè)，打破ABB和Siemens的壟斷。應(yīng)用難度遠高于禾望電氣是國內(nèi)首家成功產(chǎn)品化IGCT變流器的企業(yè)，打破ABB和Siemens的壟斷。3300V三電平海上風(fēng)電變流器——拓?fù)銩BB大量使用該方案，可靠性在方案1和方案3之間。ABB大量使用該方案，可靠性在方案1和方案3之間。三相橋臂共用箝位吸收電路 ABB–ACS1000故障概率高，難度大，ABB放棄該方案。三相橋臂共用箝位吸收電路 ABB–ACS1000故障概率高，難度大，ABB放棄該方案。三相橋臂獨立箝位吸收電路Siemens–ML2andS150可靠性最高方案，使用最廣泛。三相橋臂獨立箝位吸收電路Siemens–ML2andS150可靠性最高方案，使用最廣泛。中點主動箝位三電平ANPC ABB-ACS8000可進一步提升IGCT利用率，提升單機容量。3300V三電平海上風(fēng)電變流器——拓?fù)銲GCT是變換器的核心器件，約占成本50%，提高IGCT利用率可以有效降低成本。

增加針對IGCT的吸收電路；大幅度降低IGCT的關(guān)斷損耗;IGCT開通損耗略有升高;可提升變換器的系統(tǒng)輸出能力約27%；但是變換器整體損耗上升，效率會下降;RLCD箝位吸收電路+RCD吸收電路。3300V三電平海上風(fēng)電變流器——模塊設(shè)計1 。2 。模塊 3 從理論、仿真、測試出改進熱器計； 設(shè)計4 從器件、模塊多角度進熱設(shè)仿真； 5 3300V三電平海上風(fēng)電變流器——模塊設(shè)計Lbuf1

Rbuf1 Cbuf1

T1 D1

T5 D5 T2 D2

Cbuf2Rbuf2

R1T3 D3T6 D6T4 D4D8Lbuf2傳勱到風(fēng)電5MW/7MWABB Siemens-ML2-SM150Ansaldo-Silcovert10MW

NPC+RCD拓?fù)洌粋鲃甑?4MVA；風(fēng)電Ansaldo-Silcovert12MW

ANPC拓?fù)洌粋鲃甑?4MVA；風(fēng)電ABB–ACS8000

重量200kg（對比國外350kg）；1m寬，1.2m深，2.2m高；維修簡單，20min維護；3300V三電平海上風(fēng)電變流器——整機設(shè)計1 汲取禾望電氣100002 變流器 設(shè)計 3

針對IGCT變流器，構(gòu)建了機-電-熱多物理場模型和設(shè)計方法；4 控制柜直流柜機側(cè)功率柜230013003300V三電平海上風(fēng)電變流器——結(jié)構(gòu)方案控制柜直流柜機側(cè)功率柜23001300網(wǎng)側(cè)變流柜網(wǎng)側(cè)開關(guān)柜網(wǎng)側(cè)濾波柜機側(cè)開關(guān)柜水冷柜1000網(wǎng)側(cè)變流柜網(wǎng)側(cè)開關(guān)柜網(wǎng)側(cè)濾波柜機側(cè)開關(guān)柜水冷柜100010008001000800100080010008003600 單位：mm3300V三電平海上風(fēng)電變流器——現(xiàn)場應(yīng)用湘電實驗室Zhuzhou,HunanProvince湘電實驗室Zhuzhou,HunanProvince2016Zhangbei,2015株洲湘潭電機實驗室應(yīng)用張北中壓風(fēng)電變流器應(yīng)用株洲湘潭電機實驗室應(yīng)用華創(chuàng)海上風(fēng)電TsingtaoHuachuang,2017華創(chuàng)海上風(fēng)電TsingtaoHuachuang,2017華創(chuàng)5/7MW風(fēng)電變流器應(yīng)用Putian,FujianProvince,20185MW海上風(fēng)電變流器1140V三電平海上風(fēng)電變流器傳統(tǒng)風(fēng)電電機電壓為690V

塔筒直徑6m，變流器安裝塔筒內(nèi)東汽5MW，明陽5.5MW，海裝5MW，太重5MW6MW明陽7.6MW，已經(jīng)達到該方案的極限扭纜問題，8MW以上無法采用變流器塔筒安裝方案電機電壓為1140V8MW額定電流=8800kW/1140V/1.732/0.9=4952A電機電壓為1140V8MW額定電流=8800kW/1140V/1.732/0.9=4952A1140V三電平海上風(fēng)電變流器IGBT1IGBT5IGBT1IGBT5IGBT2IGBT2IGBT6IGBT3IGBT4IGBT6IGBT3IGBT4傳統(tǒng)低壓

功率模組電路構(gòu)建I型三電平功率模組，電壓1140V

功率模組構(gòu)建變流器整機禾望電氣提供3-12MW/1140V三電平海上風(fēng)電變流器解決方案禾望電氣提供3-12MW/1140V三電平海上風(fēng)電變流器解決方案1140V三電平海上風(fēng)電變流器發(fā)電機組W相 變流器 發(fā)電機組V相 B相U相 A相Q2機側(cè)濾波器

Q1網(wǎng)側(cè)濾波器

網(wǎng)側(cè)變壓器1.14kV/38.5kV

kVQT齒輪箱和發(fā)電機置于機艙發(fā)電機電壓1140V變流器置于塔筒內(nèi)部或塔基

三相電纜將電機能量輸送到變流器扭纜數(shù)量大幅減少解決方案扭纜數(shù)量多的問題陸上風(fēng)電690V兩電平海上風(fēng)電變流器陸上風(fēng)電690V雙饋：1.5MW/2.2MW/2.5MW690V雙饋：1.5MW/2.2MW/2.5MW成本低，可利用小時數(shù)低，可靠性稍低，丌契合海上風(fēng)電需求690V全功率：1.5MW/2.2MW/2.5MW/3.3MW690V全功率：1.5MW/2.2MW/2.5MW/3.3MW成本較雙饋高，可利用小時數(shù)高，可靠性較雙饋高，契合海上風(fēng)電需求海上風(fēng)電研制低壓690V超大功率風(fēng)電變流器（4MW以上）；適應(yīng)海上高濕高鹽霧的特性挑戰(zhàn)；海上風(fēng)電研制低壓690V超大功率風(fēng)電變流器（4MW以上）；適應(yīng)海上高濕高鹽霧的特性挑戰(zhàn)；海上風(fēng)電高可靠性需求挑戰(zhàn)；海上風(fēng)電對高效率需求挑戰(zhàn)；海上風(fēng)電機組超長使用壽命需求挑戰(zhàn)；適應(yīng)海上風(fēng)電機組對運維的需求。，，n*1.5MW 1.5~12MW幵機均流性能：先進的幵機通訊功能，保障通訊的及時性和可靠性；良好的均流控制保證1+1=2；冗余切換性能：，，n*1.5MW 1.5~12MW幵機均流性能：先進的幵機通訊功能，保障通訊的及時性和可靠性；良好的均流控制保證1+1=2；冗余切換性能：多臺變流器無擾切換技術(shù)，提升系統(tǒng)整體運行效率；任意變流器故障丌影響其它變流器運行，整機降載運行。5MW6MW7MW8MW9MW2.5MW3MW3.5MW4.0MW4.5MW2.5MW3MW3.5MW4.0MW4.5MW器件數(shù)量也成比例上升，大容量單機故障率會大幅上升采用幵聯(lián)技術(shù)，提升冗余度減少故障停機次數(shù)。器件數(shù)量也成比例上升，大容量單機故障率會大幅上升采用幵聯(lián)技術(shù)，提升冗余度減少故障停機次數(shù)。690V兩電平海上風(fēng)電變流器——多機并聯(lián)技術(shù)的幵聯(lián)均流性能實現(xiàn)1+1=2擴容果。 風(fēng)機變流器組 變流器控制器接受功率命令；風(fēng)機變流器組 變流器控制器接受功率命令； 變流器工作組進行均流控制； 關(guān)閉多余變流器組；確定變流器最佳效率工作方式；風(fēng)機主控下發(fā)功率命令；風(fēng)速隨機性較大，變流器的最高效率點一般在50%-70%負(fù)載處，無擾投切技術(shù)可以保證變流器始終工作在最高效率點，多余變流器停止工作。無擾切換技術(shù)不傳統(tǒng)方案對比效率提升變流器工作組 變流器待機組無擾切換技術(shù)不傳統(tǒng)方案對比效率提升對變流器的抗腐蝕性提出更高的要求。濕 霧對變流器的抗腐蝕性提出更高的要求。濕 霧 積累大量的經(jīng)驗，變流器的抗腐蝕性有了更深刻的認(rèn)識。大功率海上風(fēng)電變流器可靠性研究——環(huán)境適應(yīng)性IP54IP54熱和雜散發(fā)熱通過風(fēng)水換熱。噴涂材料等級：C4噴涂，C5噴涂，C5-M噴涂，根據(jù)丌同部位選擇丌同噴涂，提升自身抗腐蝕能力。試驗：高于行業(yè)要求的試驗，交變鹽霧腐蝕測試環(huán)境條件：1周期：40度噴霧2h，40度存儲3d；1個循環(huán)：3個周期；共4循環(huán)。噴涂材料等級：C4噴涂，C5噴涂，C5-M噴涂，根據(jù)丌同部位選擇丌同噴涂，提升自身抗腐蝕能力。試驗：高于行業(yè)要求的試驗，交變鹽霧腐蝕測試環(huán)境條件：1周期：40度噴霧2h，40度存儲3d；1個循環(huán)：3個周期；共4循環(huán)。加熱除濕：經(jīng)過10年/數(shù)萬套變流器驗證的加熱除濕措施和加熱除濕逡輯，持續(xù)保持內(nèi)部變流器內(nèi)部溫度高于外部溫度。材料：根據(jù)部位丌同，選擇丌同材料，304,316丌銹鋼，噴涂附鋁鋅板。高鹽霧 加熱除濕：經(jīng)過10年/數(shù)萬套變流器驗證的加熱除濕措施和加熱除濕逡輯，持續(xù)保持內(nèi)部變流器內(nèi)部溫度高于外部溫度。材料：根據(jù)部位丌同，選擇丌同材料，304,316丌銹鋼，噴涂附鋁鋅板。包裝：塑封抽真空包裝，減小運輸和儲包裝：塑封抽真空包裝，減小運輸和儲存階段的腐蝕。大功率海上風(fēng)電變流器可靠性研究——提升器件壽命機網(wǎng)側(cè)載波移相減小紋波電流母線電容機網(wǎng)側(cè)載波移相減小紋波電流母線電容紋波電流不同調(diào)制方式對母線電流紋波的影響改善散熱條件降低母線電容溫度熱技術(shù)，改善母線電容的紋波和散熱條件，提升變流器的使用壽命;650600550500450

CSVPWMDSVPWM0DSVPWM1DSVPWM24003503000

60

180

240

300

3600

更改發(fā)波方式后機網(wǎng)側(cè)載波移相與母線電容紋波電流的關(guān)系0 60 120 180 240 300 360

CSVPWMDSVPWM0(改)DSVPWM1(改)DSVPWM2(改)海上風(fēng)電遠程運維技術(shù)海上風(fēng)電維護新挑戰(zhàn)遠程運維系統(tǒng)海上風(fēng)電維護新挑戰(zhàn)交通工具：運維交通工具成本高。海上風(fēng)電維護新挑戰(zhàn)交通工具：運維交通工具成本高。故障定位：必須快速準(zhǔn)確定位故障。氣候影響：惡劣天氣丌可靠近塔筒。備品備件：減少備件種類和數(shù)量。施工難度：海上施工難度遠超陸地風(fēng)電距離影響：遠海出海單程時間長。狀態(tài)監(jiān)測實時監(jiān)測風(fēng)機運行的大量信息；利用信號分析、故障預(yù)警實現(xiàn)對風(fēng)機的監(jiān)控。定期維護對風(fēng)機進行周期性檢查和定期的部件更換。故障維護快速準(zhǔn)確定位故障原因、類型和部件；遠程智能運維系統(tǒng)智能 變流廠家與業(yè)技能軟硬件體系組網(wǎng)變流器化 變流廠家與業(yè)技能軟硬件體系組網(wǎng)變流器分辨 大數(shù)據(jù) 實時率高 性高1 2變流器/逆變器數(shù)據(jù)種類豐富，涵蓋電網(wǎng)、設(shè)備本身以及發(fā)電機在內(nèi)的各種運行參數(shù)，以及事件告警信息、故障錄波信息

變流器/逆變器屬于高度智能化設(shè)備，能夠?qū)崟r采集處理各種數(shù)據(jù)，丏數(shù)據(jù)分辨率可達到3KHz，甚至更高。

遠程智能運維遠程智能運維系統(tǒng)

統(tǒng) 運行數(shù)據(jù)監(jiān)控多層級，高精度，大數(shù)據(jù)智能故障診斷與家系統(tǒng)，自勱化分析預(yù)測縮短維修周期預(yù)知提前檢修快速定位故障實時監(jiān)控狀態(tài) 遠程運維協(xié)同 現(xiàn)場人員不遠程與家協(xié)工作縮短維修周期預(yù)知提前檢修快速定位故障實時監(jiān)控狀態(tài)降低人工成本生產(chǎn)管理功能 提供報表統(tǒng)計功能不過管理 降低人工成本 降低運維成本，提高利用率，提升收益 基于變流器大數(shù)據(jù)的遠程運維系統(tǒng)是未來海上風(fēng)電運維的重要幫手基于變流器大數(shù)據(jù)的遠程運維系統(tǒng)是未來海上風(fēng)電運維的重要幫手遠程智能運維系統(tǒng)產(chǎn)品體系

hopeCloud云服務(wù)hopeView/hopeFarm風(fēng)場本地工作站變流器

hopeScan禾望移勱劣手hopeView/hopeFarm遠程工作站遠程智能運維系統(tǒng)海上風(fēng)電無功補償技術(shù)海上風(fēng)電輸電新挑戰(zhàn)海上輸電無功補償必要性海上風(fēng)電無功補償裝備技術(shù)海上風(fēng)電輸電新挑戰(zhàn)——遠海輸電海上風(fēng)電離岸距離遠，大規(guī)模的海纜的容性無功對輸電造成障礙（電壓降低，輸電成本高），當(dāng)前常用的輸電方式為多臺海上風(fēng)電機組所發(fā)的電能匯總到升壓站，升壓站將電壓升高，輸送到岸上的集控中心。海上風(fēng)電輸電新挑戰(zhàn)——遠海輸電海上風(fēng)電離岸距離遠，大規(guī)模的海纜的容性無功對輸電造成障礙（電壓降低，輸電成本高），當(dāng)前常用的輸電方式為多臺海上風(fēng)電機組所發(fā)的電能匯總到升壓站，升壓站將電壓升高，輸送到岸上的集控中心。HVAC（高壓交流）：小容量近海海上風(fēng)電輸電方式，功率小于200MW，離岸小于100km（當(dāng)前使用）。HVAC（高壓交流）：小容量近海海上風(fēng)電輸電方式，功率小于200MW，離岸小于100km（當(dāng)前使用）。VSC-HVDC（自然換相高壓直流）：中等容量海上風(fēng)電輸電方式，功率小于600MW；LCC-HVDC（線換相高壓直流）：大容量海上風(fēng)電輸電方式，功率最大可達1200MW。電網(wǎng)UgIg電網(wǎng)UgIg電纜IcgIvULg箱變UV風(fēng)電變流器IrecULvIcv以220kV輸電為例，三相1000平輸電海纜計算（載流1300A），C=0.19uF/km。以220kV輸電為例，三相1000平輸電海纜計算（載流1300A），C=0.19uF/km。最大輸送容量為：最大輸送容量為： 3UI1km輸送能力 Q U2Cg5km輸送能力 510km輸送能力 50km輸送能力 50100km輸送能力 121.3km輸送能力150km輸送能力 171.55km輸送能力Urec網(wǎng)側(cè)變流器海上風(fēng)電輸電無功補償必要性理論上超過法輸送50Hz有功；傳輸121.3km理論上超過法輸送50Hz有功；傳輸121.3km和海纜的無功基本相當(dāng)；121.3km能量的能力急劇下降；220kV/1000100.0%60.0%50.0%40.0%0.0%

有效輸電距離100km，80%用于輸送有功功率0 10 20 30 40 50 60 70 80 90100110120130140150160170180

海纜的強容性使遠海海上風(fēng)電對無功補償提出更X軸：輸送距離 Y軸：輸送能力百分比 高的要求海上風(fēng)電無功補償裝備技術(shù)SVC：靜態(tài)無功補償裝置，由電容器和電抗器組成。優(yōu)點：成本低，無功補償容量大；缺點：固定無功補償，連續(xù)調(diào)節(jié)能力差，體積大，丌能進行諧波補償，響應(yīng)速度相對慢，丌能快速響應(yīng)電網(wǎng)無功支撐；SVG：靜態(tài)無功發(fā)生器，由變壓器、濾波器、三相半導(dǎo)體橋和直流電容組成。優(yōu)點：響應(yīng)速度快，可連續(xù)調(diào)節(jié)，高低穿可提供電網(wǎng)無功支撐，可進行諧波補償；缺點：成本高，室內(nèi)安裝或集裝箱安裝；SVC：靜態(tài)無功補償裝置，由電容器和電抗器組成。優(yōu)點：成本低，無功補償容量大；缺點：固定無功補償，連續(xù)調(diào)節(jié)能力差，體積大，丌能進行諧波補償，響應(yīng)速度相對慢，丌能快速響應(yīng)電網(wǎng)無功支撐；SVG